Nova tehnologija za odvođenje topline elektroničke opreme

Postupna minijaturizacija i preciznost elektroničke opreme dovela je do problema odvođenja topline. Temperatura ima veliki utjecaj na rad elektroničke opreme. Za stabilan i kontinuiran radni elektronički čip, maksimalna temperatura ne smije prijeći 85 ℃ prema potrebi. Svaki put kada se temperatura poluvodičke komponente poveća za 10 ℃, pouzdanost sustava će se smanjiti za 50%. Prema statistikama, više od 55% kvarova elektroničke opreme uzrokovano je prekomjernom temperaturom. U tradicionalnom elektroničkom čipu, volumen koji se koristi za hlađenje čini 98%, a samo 2% se koristi za rad računala, ali je još uvijek teško riješiti trenutni problem odvođenja topline. Visoka temperatura će imati štetan učinak na rad elektroničke opreme, a te tradicionalne metode odvođenja topline imaju određena ograničenja. Stoga, kako bi se osigurao vijek trajanja i učinkovit rad elektroničke opreme, hitno je istražiti i razviti bolje metode odvođenja topline za elektroničku opremu.

01 Tehnologija hlađenja Tradicionalna metoda odvođenja topline često se viđa u našem svakodnevnom životu, jer je trenutni razvoj vrlo zreo, a princip je jednostavan, pa ga ovdje neću ponavljati.

1.1 Hlađenje tekućinom

Tekućinsko hlađenje koristi tekućinu koja prolazi kroz izvor topline kako bi oduzela toplinu koju stvara čip, bez buke i ima visok kapacitet izmjene topline. Slijedi nekoliko metoda tekućeg hlađenja koje su nove tehnologije koje se temelje na tradicionalnom proširenju izravnog hlađenja tekućinom.

1.1.1 Mikrokanalno hlađenje

Mikrokanalno hlađenje je jetkanje više kanala tekućine mikrometarske razine na podlozi ispod čipa, tako da se toplina čipa apsorbira kada tekućina teče kroz kanal. Ova metoda uključuje jednofaznu izmjenu topline i dvofaznu izmjenu topline. Među njima je toplinski kapacitet jednofazne izmjene topline mali, učinak izmjene topline je slab, a temperatura nakon hlađenja je neujednačena, što rezultira prekomjernim naprezanjem. Naprotiv, dvofazna izmjena topline ima veliku latentnu toplinu, kapacitet izmjene topline je visok, temperatura nakon hlađenja je ujednačena, ne stvara se veliko naprezanje, a temperatura radnog fluida ne raste jako visoko. Dvofazni prijenos topline u mikrokanalnom hlađenju trenutno je žarište istraživanja. U dvofaznom prijenosu topline koristeći niskotlačno rashladno sredstvo kao radni fluid, kapacitet odvođenja topline može doseći više od 300 W/cm2. Kroz eksperimente, Yu Zukang i sur. dobivena površinska hidrofilna svojstva za učinkovito poboljšanje performansi prijenosa topline mikrokanala. U uvjetima niskog toplinskog toka i niske ulazne suhoće, prosječni koeficijent prijenosa topline superhidrofilnih površina je najveći, koji je 64% veći od onog kod običnih glatkih površina. Prosječni koeficijent prijenosa topline hidrofilne površine je do 27% veći od koeficijenta obične glatke površine; u uvjetima visokog toplinskog toka i velike ulazne suhoće, prosječna vrijednost koeficijenta prijenosa topline superhidrofilne površine je do oko 80% veća od one obične glatke površine. Hidrofilna površina je do oko 50% veća od normalne glatke površine. Slika 1 prikazuje strukturu mikrokanalnog hlađenja.

Kritični toplinski tok (CHF) jedan je od važnih parametara koji utječu na performanse mikrokanala. Yuan Xudong i drugi su detaljno predstavili napredak istraživanja CHF-a i detaljno predstavili njegov mehanizam utjecaja i metode poboljšanja, kao i CHF koji postoji u akademskim krugovima. Razlike u mišljenjima. Zbog male veličine mikrokanala, otpor na putu je vrlo velik; njegova struktura također ima veliki utjecaj na hlađenje, a korištenje ravnih i paralelnih mikrokanala će uzrokovati veliki pad tlaka i temperaturni gradijent. Ima mnogo prednosti. Budući da su kanali urezani i ne zauzimaju više prostora, mikrokanalno hlađenje postaje učinkovitije i kompaktnije, te je prikladnije za male elektroničke čipove. Općenito se vjeruje da dvoslojni mikro radijator može zadovoljiti sve veće toplinsko opterećenje sljedeće generacije elektroničke opreme. Xiaogang Liu i sur. predložio je dvoslojnu matričnu strukturu (DL-M) i dvoslojnu matričnu strukturu međuslojne strukture (DL-IM) mikrokanala. A kroz numeričku simulaciju za proučavanje različitih performansi radijatora, dokazano je da imaju bolje toplinske performanse.

Iako postoje određeni nedostaci u mikrokanalnom hlađenju, ono može riješiti nastale probleme, a razvoj je zreliji. Iako istraživanja o CHF-u imaju različite poglede, to neće ometati razvoj mikrokanalne tehnologije, a budući smjer razvoja bit će usmjereniji. Kako poboljšati CHF za postizanje učinkovitijeg mikrokanalnog hlađenja, ova vrsta metode odvođenja topline također će postati popularnija.

1.1.2 Hlađenje raspršivanjem Hlađenje raspršivanjem je raspršivanje tekućine kroz mlaznicu kako bi se formirao dvofazni raspršivač plina i tekućine do elektroničkog uređaja. Jedan dio apsorbira toplinu i isparava, a dio topline oduzima se promjenom faze; drugi dio tvori tekući film na površini izvora topline, a toplina prati tekućinu. Protok membrane se oduzima. Plin koji se ne kondenzira u tekućem filmu povećava smetnje u izmjeni topline, što može uvelike poboljšati kapacitet odvođenja topline elektroničke opreme. Gustoća toplinskog toka topline s promjenom faze hlađenja raspršivanjem može doseći više od 1000 W/cm2. Lin i sur. koristio fluorougljik, metanol i vodu kao radne tekućine za toplinu s promjenom faze. Maksimalna gustoća toplinskog toka dobivena eksperimentima bila je 90, 90, odnosno 90. 490, 500 W/cm2 ili više. Slika 2 je shematski dijagram hlađenja raspršivanjem.

Ova metoda hlađenja ima određene nedostatke koje treba riješiti. Metoda hlađenja raspršivanjem ima složen sustav, velike zahtjeve za prostorom i teško se održava. Zbog malog protoka tekućine, ujednačene raspodjele temperature čipa nakon hlađenja i niskog naprezanja, hlađenje raspršivanjem smatra se metodom odvođenja topline za elektroničke čipove s dobrim razvojnim potencijalom. Trenutno, budući da postojeći problemi nisu riješeni, može se koristiti samo u vojnim i zrakoplovnim proizvodima. Wang Gaoyuan i sur. proveli eksperimente hlađenja raspršivanjem na R134a u uvjetima niskog tlaka i otkrili da hlađenje raspršivanjem u uvjetima niskog tlaka postupno smanjuje kapacitet prijenosa topline sa smanjenjem tlaka, a flash isparavanje ima veliki utjecaj na kapacitet prijenosa topline, što je potrebno uzeti u obzir pri uređenju mlaznice. Dodavanje nanočestica, površinski aktivnih tvari, topivih soli i plinova te alkoholnih aditiva u rashladnu tekućinu može uvelike poboljšati karakteristike prijenosa topline. Li Yiyi je kroz eksperimente potvrdio da dodatak površinski aktivnih tvari može učinkovito poboljšati performanse prijenosa topline kod hlađenja raspršivanjem, posebno dodatak SDS-a ima najbolji učinak. Međutim, dosadašnji način dodavanja aditiva je još u povojima, a postojeći problemi su kompliciraniji.

Hlađenje raspršivanjem ograničeno je prostorom i ne može se koristiti u malim elektroničkim uređajima, ali učinak je vrlo dobar kada se koristi u superračunalima. Trenutno se tehnologija hlađenja raspršivanjem primjenjuje na CREY superračunala, a također se koristi u velikim razmjerima u podatkovnim centrima. S razvojem ove metode hlađenja, vjeruje se da će aplikacija biti zrelija.

Gore navedene tri metode odvođenja topline tekućine imaju svoje prednosti i nedostatke. Hlađenje raspršivanjem i mlazno hlađenje su slične. Njihove strukture su vrlo složene i nisu prikladne za svakodnevnu elektroničku opremu. Međutim, oni imaju jaku sposobnost odvođenja topline. Hlađenje raspršivanjem je pogodno za superračunala, u rasipanju topline velikih podataka; mlazno hlađenje pogodno je za vojno-industrijske predmete, kao što su borbeni avioni, zrakoplovi itd. Ove dvije metode odvođenja topline ne mogu se zamijeniti posljednjih godina. Mikrokanalno hlađenje je opći smjer budućeg razvoja, bilo da se radi o svakodnevnoj elektroničkoj opremi ili drugim preciznim elektroničkim instrumentima, ova metoda će biti usvojena.