فناوری جدید برای اتلاف حرارت تجهیزات الکترونیکی

کوچک سازی و دقت تدریجی تجهیزات الکترونیکی مشکل اتلاف گرما را به وجود آورده است. دما تأثیر زیادی بر عملکرد تجهیزات الکترونیکی دارد. برای یک تراشه الکترونیکی با کار پایدار و پیوسته، حداکثر دما نمی تواند در صورت نیاز از 85 ℃ تجاوز کند. هر بار که دمای یک جزء نیمه هادی 10 درجه سانتیگراد افزایش یابد، قابلیت اطمینان سیستم 50٪ کاهش می یابد. طبق آمار، بیش از 55 درصد از خرابی های تجهیزات الکترونیکی ناشی از دمای بیش از حد است. در تراشه الکترونیکی سنتی، حجم مورد استفاده برای خنک‌سازی 98 درصد است و تنها 2 درصد برای عملیات محاسباتی استفاده می‌شود، اما هنوز حل مشکل اتلاف حرارت فعلی دشوار است. دمای بالا تأثیر مضری بر عملکرد تجهیزات الکترونیکی خواهد داشت و آن روش‌های سنتی اتلاف گرما دارای محدودیت‌های خاصی هستند. بنابراین، به منظور اطمینان از عمر مفید و عملکرد کارآمد تجهیزات الکترونیکی، بررسی و توسعه روش‌های اتلاف حرارت بهتر برای تجهیزات الکترونیکی ضروری است.

01 فن آوری خنک کننده روش سنتی اتلاف گرما اغلب در زندگی روزمره ما دیده می شود، زیرا پیشرفت فعلی بسیار بالغ است و اصل آن ساده است، بنابراین من آن را در اینجا تکرار نمی کنم.

1.1 خنک کننده مایع

خنک کننده مایع از مایع عبوری از منبع گرما استفاده می کند تا گرمای تولید شده توسط تراشه را بدون نویز از بین ببرد و ظرفیت تبادل حرارت بالایی دارد. در زیر چندین روش خنک‌سازی مایع وجود دارد که فناوری‌های جدیدی هستند که مبتنی بر پسوند خنک‌کننده مستقیم مایع سنتی هستند.

1.1.1 خنک کننده میکروکانال

خنک کننده میکرو کانال به این صورت است که چندین کانال سیال در سطح میکرومتر را بر روی بستر زیر تراشه حک می کند، به طوری که گرمای تراشه زمانی که سیال از کانال عبور می کند جذب شود. این روش شامل تبادل حرارتی تک فاز و تبادل حرارتی دو فاز می باشد. در میان آنها، ظرفیت گرمایی تبادل حرارتی تک فاز کوچک است، اثر تبادل حرارت ضعیف است و دمای پس از خنک شدن ناهموار است و در نتیجه تنش بیش از حد ایجاد می شود. در مقابل، تبادل حرارتی دو فاز دارای گرمای نهان زیادی است، ظرفیت تبادل حرارت بالا است، دما پس از خنک شدن یکنواخت است، تنش زیادی ایجاد نمی شود و دمای سیال کار خیلی بالا نمی رود. انتقال حرارت دو فازی در خنک کننده میکروکانال یک کانون تحقیقاتی فعلی است. در انتقال حرارت دو فاز با استفاده از مبرد کم فشار به عنوان سیال کار، ظرفیت اتلاف گرما می تواند به بیش از 300 W/cm2 برسد. از طریق آزمایشات، یو زوکانگ و همکاران. خواص آب دوست سطحی را برای بهبود موثر عملکرد انتقال حرارت میکروکانال ها به دست آورد. تحت شار حرارتی کم و خشکی ورودی کم، میانگین ضریب انتقال حرارت سطوح فوق آبدوست بزرگترین است که 64 درصد بیشتر از سطوح صاف معمولی است. میانگین ضریب انتقال حرارت سطح آبدوست تا 27 درصد بیشتر از سطح صاف معمولی است. در شرایط شار حرارتی بالا و خشکی ورودی بالا، میانگین مقدار ضریب انتقال حرارت سطح فوق آبدوست تا حدود 80٪ بیشتر از سطح صاف معمولی است. سطح آب دوست تا حدود 50 درصد بالاتر از سطح صاف معمولی است. شکل 1 ساختار خنک کننده میکروکانال را نشان می دهد.

شار حرارت بحرانی (CHF) یکی از پارامترهای مهمی است که بر عملکرد میکروکانال ها تأثیر می گذارد. یوان ژودونگ و دیگران پیشرفت تحقیقاتی CHF را به تفصیل معرفی کردند و مکانیسم تأثیرگذاری و روش های بهبود آن و همچنین CHF موجود در دانشگاه را به تفصیل معرفی کردند. تفاوت در نظرات. با توجه به اندازه کوچک میکروکانال، مقاومت در طول مسیر بسیار زیاد است. ساختار آن نیز تأثیر زیادی در خنک سازی دارد و استفاده از میکروکانال های مستقیم و موازی باعث افت فشار و گرادیان دما زیاد می شود. مزایای زیادی دارد. از آنجایی که کانال ها اچ شده اند و فضای بیشتری را اشغال نمی کنند، خنک کننده میکروکانال کارآمدتر و فشرده تر می شود و برای تراشه های الکترونیکی کوچک مناسب تر است. به طور کلی اعتقاد بر این است که میکرو رادیاتور دو لایه می تواند بار حرارتی فزاینده نسل بعدی تجهیزات الکترونیکی را برآورده کند. Xiaogang Liu و همکاران ساختار ماتریس دو لایه (DL-M) و ساختار ماتریس اتصال دو لایه (DL-IM) ساختار میکروکانال ها را پیشنهاد کرد. و از طریق شبیه سازی عددی برای بررسی عملکرد مختلف رادیاتورها ثابت می شود که عملکرد حرارتی بهتری دارند.

اگرچه کاستی های خاصی در خنک کننده میکروکانال وجود دارد، اما می تواند مشکلات به وجود آمده را حل کند و توسعه بالغ تر است. اگرچه تحقیقات در مورد CHF دیدگاه های متفاوتی دارد، اما این مانع توسعه فناوری میکروکانال نخواهد شد و جهت توسعه آینده بیشتر متمرکز خواهد بود. نحوه بهبود CHF برای دستیابی به خنک کننده میکرو کانال کارآمدتر، این نوع روش اتلاف گرما نیز محبوب تر خواهد شد.

1.1.2 خنک کننده اسپری خنک کننده اسپری عبارت است از اتمیزه کردن مایع از طریق یک نازل برای تشکیل یک اسپری دو فازی گاز-مایع به دستگاه الکترونیکی. یک قسمت از آن گرما را جذب می کند و تبخیر می شود و بخشی از گرما با تغییر فاز گرفته می شود. قسمت دیگر یک لایه مایع روی سطح منبع گرما تشکیل می دهد و گرما مایع را دنبال می کند. جریان غشا از بین می رود. گاز غیر قابل تراکم در فیلم مایع اختلال در تبادل حرارت را افزایش می دهد که می تواند ظرفیت اتلاف حرارت تجهیزات الکترونیکی را تا حد زیادی بهبود بخشد. چگالی شار حرارتی تغییر فاز خنک کننده اسپری می تواند به بیش از 1000 W/cm2 برسد. لین و همکاران از فلوئوروکربن، متانول و آب به عنوان سیالات کاری برای گرمای تغییر فاز استفاده کرد. حداکثر چگالی شار حرارتی به‌دست‌آمده از آزمایش‌ها به ترتیب 90، 90 و 90 بود. 490، 500 W/cm2 یا بیشتر. شکل 2 نمودار شماتیک خنک کننده اسپری است.

این روش خنک کننده کاستی های خاصی دارد که باید برطرف شود. روش خنک کننده اسپری دارای سیستم پیچیده، فضای مورد نیاز بالا است و نگهداری آن دشوار است. به دلیل سرعت جریان مایع کم، توزیع یکنواخت دمای تراشه پس از خنک‌سازی و استرس کم، خنک‌سازی اسپری به عنوان یک روش اتلاف حرارت برای تراشه‌های الکترونیکی با پتانسیل توسعه خوب در نظر گرفته می‌شود. در حال حاضر به دلیل حل نشدن مشکلات موجود تنها در محصولات نظامی و هوایی قابل استفاده است. وانگ گائویوان و همکاران آزمایش‌های خنک‌کننده اسپری را روی R134a در شرایط فشار کم انجام داد و دریافت که خنک‌سازی اسپری در شرایط فشار کم به تدریج ظرفیت انتقال حرارت را با کاهش فشار کاهش می‌دهد و تبخیر فلاش تأثیر زیادی بر ظرفیت انتقال حرارت دارد که باید در هنگام چیدمان در نظر گرفته شود. نازل ها افزودن نانوذرات، سورفکتانت‌ها، نمک‌ها و گازهای محلول و افزودنی‌های الکلی به مایع خنک‌کننده اسپری می‌تواند ویژگی‌های انتقال حرارت را تا حد زیادی بهبود بخشد. Li Yiyi از طریق آزمایشات تأیید کرد که افزودن سورفکتانت ها می تواند به طور موثر عملکرد انتقال حرارت خنک کننده اسپری را بهبود بخشد، به خصوص افزودن SDS بهترین اثر را دارد. با این حال، روش فعلی افزودن مواد افزودنی هنوز در مراحل اولیه است و مشکلات موجود پیچیده تر است.

خنک کننده اسپری توسط فضا محدود می شود و نمی توان از آن در دستگاه های الکترونیکی کوچک استفاده کرد، اما این اثر زمانی که در ابررایانه ها استفاده می شود بسیار خوب است. در حال حاضر فناوری خنک‌کننده اسپری در ابررایانه‌های CREY اعمال می‌شود و در مراکز داده نیز در مقیاس وسیع استفاده می‌شود. با توسعه این روش خنک کننده، اعتقاد بر این است که برنامه بالغ تر خواهد شد.

سه روش فوق اتلاف حرارت مایع مزایا و معایب خاص خود را دارند. خنک کننده اسپری و خنک کننده جت مشابه هستند. ساختار آنها بسیار پیچیده است و برای تجهیزات الکترونیکی روزانه مناسب نیست. با این حال، آنها قابلیت اتلاف گرما قوی دارند. خنک کننده اسپری برای ابر رایانه ها مناسب است، در اتلاف حرارت داده های بزرگ. جت خنک کننده برای اقلام نظامی-صنعتی مانند جت های جنگنده، هواپیما و ... مناسب است که این دو روش دفع گرما در سال های اخیر قابل جایگزینی نیستند. خنک کننده میکرو کانال جهت کلی توسعه آینده است، چه در تجهیزات الکترونیکی روزانه یا سایر ابزارهای الکترونیکی دقیق، این روش اتخاذ خواهد شد.