קידום קירור מיקרופלודי עבור מודולים בעלי עוצמה גבוהה

הקדמה: The Escalating Thermal Challenge in High-Density Powerמודולs

דחיפה חסרת הרחמים לביצועים גבוהים יותר ומיניטורציה באלקטרוניקה כוחית דחף ניהול תרמי למגבלות שלה.מודולים מודרניים - שנמצאו בכלי רכב חשמליים, מרכזי נתונים, מפלטי אנרגיה מתחדשת ומערכות חלל - עכשיו לארוז תנודות כוח חסרות תקדים, לעתים קרובות מעל 500 W / ס"מ בעיצובים מתקדמים.מודולים אלה מסתמכים גם על מוליכים למחצה רחבים של פסים כגון סיליקון (SiC) ו-Nium ביעילות לייצר מתחים גבוהים יותר (Nide) אבל גם כן, אך לא יכול להפעיל תדרים מסורתיים יותר).

שיטות קירור קונבנציונליות - כולל זיהום אוויר מאולץ, צלחות קר נוזלי, צינורות חום - ממגבלות בסיסיות בחללים מוגבל.אוויר קירור יש קוטריק חום ירודה; לוחיות קרות נוזליות לכפות התנגדות תרמית גדולה באמצעות ממשקים חומריים מרובים; צינורות חום להגיע לגבולות capillary ב fluxes חום גבוה.

מערכות קירור מיקרו-השפעה הופיעו כפתרון טרנספורמטיבי, המסוגלות להשיג את התקני העברת החום מסדר גודל גבוה יותר מאשר גישות קונבנציונליות. על ידי הפצת קירור באמצעות ערוצים בקנה מידה מיקרון המשולב ישירות לתוך או סמוך לרכיבים שיוצרים חום, מיקרו-קלודייקים מאפשרים חיצה ישירה, יעילה ומדורגת חום עבור הדור הבא של מודולים בעלי עוצמה גבוהה.

מה זה Microfluidic Cooling?

קירור מיקרו-השפעהי הוא טכניקת ניהול תרמי המשתמשת ערוצים מיקרו-פאבריקים (בדרך כלל 10–500 מיקרומטר בקוטר הידראולי) כדי להפיץ קירור נוזלי ליד מקור החום.הקר קולט חום באמצעות זיהום מאולץ ולעתים קרובות באמצעות שינוי שלב (התחילה) עבור אפילו גבוה יותר קצב העברת חום.

Single-Phase לעומת 2-Phase Microfluidic Cooling

קירור מיקרו-השפעה יחיד משתמש קירור נוזלי (מים, נוזלים דיאלקטריים, או ננופלואידים) שנשאר נוזלי לחלוטין לאורך תהליך החלפת החום.זה מציע פשטות, ירידה בלחץ מינימלי, ופעולה יציבה, אך מוגבל על ידי יכולת החום הספציפית של הקריר והעלייה בטמפרטורה של עמידה על ידי חימום.

שני מיקרו-השפעה של קירור מיקרו-השפעה ממנתחת בתוך המיקרו ערוצים לספוג חום סמוי של vaporization.מנגנון זה יכול לנתק את גלי החום מעל 1000 W / ס"מ2 תוך שמירה על טמפרטורות משטח נמוכות כי הטמפרטורות הקרירות בטמפרטורה של ליד-הטבעה. עם זאת, שתי-phase הזרמה מציגה מורכבות כגון זרימה, סיכון יבש, לחץ ולחץ אחרון עבור בעיות מיקרו-אפודיות אלה.

בחירה מגניבה וננופלואידים

מים נותרים מתקררים מבחינת ההתנהלות התרמית הגבוהה שלה (0.6 W/mK) וקיבולת חום ספציפית (4.18 kJ/kgK), אך השימוש בהתנהלות חשמלית והגבלת נקודת הקפאה ביישומים מסוימים.נוזלים דיאלקטריים כגון HFE-7100, FC-72, ומהנדסים כמו חומצה פוליאלפאומונים מספקים ענישה חשמלית וקפאה עלות של ביצועים נמוכים יותר, כלומר, A3lessicolatives) יכולים לשפר את השיפורים של פחמן-Osurpene (Ofluid) של חומרים יעילים, לעומת זאת, לעומת 10, 000, 000, תוספת טיפול תרופתיים, תוספת של חומרים מסוכנים, לעומת 10.

הקודם: Microfluidic Cooling

בחמש השנים האחרונות היו עדים להתפרצות של חדשנות בקירור מיקרו-השפעהי עבור מודולים בעלי עוצמה גבוהה. אלה התקדמות עיצוב ערוצים, חומרים, אינטגרציה חיישן וטכניקות ייצור, כולם מכוונים לדחוף ביצועים תרמיים קרוב יותר למגבלות תיאורטיות תוך הבטחת יכולת ואמינות במערכות אמיתיות בעולם.

עיצובים משופרים של ערוץ Geometries ו-Manifold Designs

קריקרים מוקדמים של מיקרו-ערוצים התבססו על מערך ערוצים מקבילים פשוט, שסבלו מטיפות לחץ גבוהות ומפיצות מחלות מפיץ-תזונה, התמקדו בגאומטריה הממקסמת את שטח פני השטח של העברת החום לנפח, תוך צמצום ההתנגדות ההידראולית.מונים (MMC) קרירים – שם נכנסים ויציאה מגניבים דרך מסגרת מכפלת- השיגו קוגני חום יעילים מעל 100,000 W/2K טיפות בטווח הארוך, תוך צמצום של לחץ נמוך מטווח קצר מתחת לכדי לחץ נמוך יותר מ-50 ק"מחץ נמוך יותר, ומונעים, וגרם לכדי לחץ דם נמוך יותר ממרחק קצר מתחת לכדי לחץ נמוך יותר ממרחק של כדור הארץ.

מערך Pin-fin, רשתות עץ השביר, ומבנים של oblique-fin נחקרים גם. Pin fins (circular, Square, או בצורת היהלום) משבשים את שכבת הגבול ולקדם שילוב, להגביר את העברת החום על ידי 50–100% בהשוואה לערוצים פשוטים.Factal Network, בהשראת vasculature ביולוגיים, לספק הפצה אחידה על פני אזורים עם לחץ מינימלי.

בנוסף, V בצורת, wvy, ופרופילי ערוצים מוזנים באמצעות דינמיקות נוזלי חישובי (CFD) כדי ליצור מבני זרימה משניים שמשפרים תחבורה שיתופית. חלק מהעיצובים משלבים התרחבות הדרגתית והתכווצויות כדי לגרום לדן vortices, אשר מגביר את השילוב ללא עונש הלחץ הגבוה של פינים.

חומרים מתקדמים לתפקודיות גבוהה יותר

הביצועים התרמיים של קרירים מיקרו-קלידיים הם בסופו של דבר מוגבלים על ידי מוליכות תרמית של קירות הערוץ. סיליקון סטנדרטי (149 W/mK) ונחושה (401 W/mK) יעילים, אך החוקרים פונים לחומרים עם עוד התנהגויות גבוהות יותר כדי להפחית את ההתנגדות החומות ל-coolant-to-coolant תרמיל יש את ההתנהגות התרמית הגבוהה ביותר (2000-R) בהשוואה ל-Crecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecereceic-C) ל-Colant-Colant-CDC-CDC-to-to-coolant.comolant.

Graphene ו פחמן nanotube מורכב גם מקבל תשומת לב. שכבה של גרפן מויישר אנכי גדל על הפנים ערוץ יכול להפחית את ההתנגדות ממשק תרמי בין הקיר המוצק ואת הקריר על ידי שיפור תחבורה phon. במחקר אחד, תוספת של כמה שכבות גרפן ציפוי גרפן שיפור ההתנגדות העברת חום על ידי 30% באותו קצב זרימה ללא ירידה בלחץ גדל.

חידוש חומרים נוספים הוא התפתחות של חומרי שינוי שלב (PCMs) המשולבים בקירות המיקרו-ערוציים. PCMs עם חום מאוחר גבוה (למשל, שעווה פרפין, לחות מלוחים) יכול לספוג ספייק חום טראנסים וטיולים טמפרטורה שטוחה, הגנה על מודול הכוח ממתח רכיבה על אופניים תרמי.

חיישנים משולבים ובקרת קירור הסתגלות

ניטור תרמי בזמן אמת חיוני עבור תפעול בטוח של מודולים כוח דיוק גבוה.ההתפתחויות האחרונות במערכות מיקרואלקטרוניקה (MEMS) איפשרו שילוב של טמפרטורה, לחץ, וחיישנים זרימה ישירות בתוך הערוצים המיקרו-השפעהיים - לעתים קרובות כמו גלאי טמפרטורה דקת-סרט (RTDs) או thermocouples מוטבע בבסיס הערוץ.

אלגוריתמי קירור מותאמים, לפעמים נקרא "קירור חכם", השתמש משוב חיישן כדי לשנות את זרימת המבוסס על עומס חום מיידי. במהלך תקופות עומס נמוך, זרימה מצמצם כדי לחסוך אנרגיה משאבה; במהלך עומס גבוה (למשל, עלייה כוח ב צומת EV הפעלה חד פעמי), עלייה בקר ב-C כדי למנוע טמפרטורה רצופה.

משטחים של חיישן אלחוטי המופעלים על ידי קצירת אנרגיה מה ⁇ התרמית נמצאים גם בפיתוח, ובכך מבטלים את הצורך להתיישנות דרך הצלחת הקירור.חיישנים המופעלים על ידי העצמי יכול להיות מוטבע יום אחד לכל מערך מיקרו-ערוצי, המאפשר ניהול תרמי מבוזר לחלוטין ואוטונומי.

מיניטורציה וטכניקות קירור מתקדמות

שיטות ייצור עבור קריקטורים מיקרו-השפעה התקדמו באופן משמעותי, המאפשרים קטנים יותר, מורכבים יותר, ומבנים ערוץ אמין יותר. די תגובתיים של סיליקון נשאר תהליך עבודה, המסוגל לייצר ערוצי אדפט-רציו (<50:1) עם מחסומים אנכיים ותכונות למטה עד 10 מיקרומטר מבוסס הסיליקון יכול להיות משולב ישירות עם נפחד מגנטי (T) באמצעות ממשקי קשר ישיר או מגנטיים ישירות ממכר).

ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) פתח חירויות עיצוב חדשות. לייזר מבוזר (SLM) של מתכות (למשל, נחושת, אלומיניום או ⁇ ניקל) יכול לייצר מבנים ליטיצ'ה, מכפליים פנימיים, ו-3 רשתות ערוץ תלת-ממדיות שאינן אפשריות ליצור עם מודולים מסורתיים של רזולוציה 120-μm תהליך שימש כדי לייצר מערך מיקרו-מסלולארי עם יכולת קירור של 30 ק"מ / קיבולת קירור של שטח.

טכניקות מתפתחות אחרות כוללות מיקרו-מילות במכות מתכת, דלקת לייזר, ותחריט פוטוכימי בפלדה אל-חלד ונחושה.שיטות אלה עולות לעתים קרובות פחות מ-DRIE עבור כרכים בינוניים ומאפשרות ייצור על תת-שכבות גדולות יותר (למשל, 200 מ"מ לוחות קרים) עבור שני קריינים של 2-phase, הנדסת אתר ניקוי - כגון לייזר-טקסט של פני השטח עם micropittures - הוכח שיפור הבועות חום.

יתרונות מרכזיים של קירור מיקרו-השפעה עבור מודולי חשמל

היתרונות של קירור מיקרו-השפעהי להאריך מעבר לביצועים תרמיים גולמיים.הם מתייחסים ישירות לצרכים של מודולים בעלי עוצמה גבוהה במונחים של גודל, יעילות, אמינות, ועלויות בעלות.

ביצועים גבוהים יותר

מערכות מיקרו-השפעה יכולות להסיר חום בתצפיות מעל 1000 W / m2, בהשוואה ל-200-300 W/CM2 בדרך כלל ניתן להשיג עם צלחות קרות מתקדמות.יכולות אלה מאפשרות שימוש במודולים קטנים יותר הפועלים בזרמים גבוהים יותר ללא עלייה בטמפרטורת הצומת (בדרך כלל 150-175 מעלות צלזיוס לסי, 200-250C עבור SiC).

אינטגרציה סגורה לחללים

ניתן לייצר מערך מיקרו ערוצים ישירות על תת-התחסין של מודול החשמל, הוספת פחות מ-1 מ"מ עובי הכולל.גורם טופס זה אידיאלי עבור יישומים כמו מטען על הסיפון בכלי רכב חשמליים, שבו כל מילימטר של חלל הוא יקר.

אנרגיה יעילה וקידום קירור

מכיוון שקרנים מיקרו-השפעהיים יכולים להיות ממוקמים בדיוק היכן שהחום נוצר (באופן ישיר מתחת למות, סביב חוטי האג"ח, או אפילו מוטבעים בתוך המצע), הם נמנעים מבזבוז אזורים לא קריטיים קירור (גישה ממוקדת זו מפחיתה את הכוח הנמשך הנדרש על ידי עומס של 3-5 בהשוואה למערכת קירור נוזלית מלאה.

שיפור אמינות ותוחלת החיים

על ידי שמירה על טמפרטורות צומת נמוכות יותר ויותר אחידות, קירור מיקרו-השפעה מפחית את הלחץ התרמכאי במפרקים מוכרים, מחזורי חוט, ואת המוליכים למחצה למות עצמו.כל 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורה הפעלה יכול להכפיל את חיי המודולים על פי Coffin-Manson האצה מודל של מיקרו-מרכזי הגנה מ-C מודולים באמצעות קירור מראה ירידה של 40% בשיעורי כישלונות של מעל 10,000 שעות של ניתוח בהשוואה לשיטות קירור סטנדרטיות, בנוסף לבדיקות מיקרו-מתקניות סטנדרטיות (CDC) אשר אינן יעילות יותר מ-מתקניות סטנדרטיות (CDC) אשר אינן מ-מתקניות יותר מ-מתקני אבטחה סטנדרטיות יותר מ-מתקניות יותר מ-מתקניות יותר מ-מתקניות (מתקני אבטחה סטנדרטיות יותר מ-מתקני אבטחה סטנדרטיות (מתקני אבטחה סטנדרטיות) ו-מתקני אבטחה סטנדרטיות (מתקניות) ו-מתקניות (מתקני אבטחה סטנדרטיות (מתקני אבטחה סטנדרטיות) אשר הפכו ל-מתקני אבטחה סטנדרטיות של מיקרו-מתקני אבטחה סטנדרטיות) לאחר שגורמות ל-מתקני אבטחה סטנדרטיות של נפח חשמליות של נפח חשמליות של נפח חשמליות של נפח

תחזית לעתיד: חומרים חכמים יותר, אינטגרציה ו Scalability

המסלול של קירור מיקרו-השפעהי עבור מודולים כוח בעלות גבוהה מצביע על שילוב עמוק יותר עם החבילה המוליכים למחצה עצמה, שימוש מוגבר בשליטה המונעת על ידי AI, ומדפי ייצור בנפח גבוה. מגמות מספריות יגדירו את חמשת עד עשר השנים הבאות.

Embedded and On-Chip Microfluidics

הצעד האולטימטיבי בניהול תרמי הוא להטמיע מיקרו-ערוצים ישירות לתוך סיליקון או GaN substrate של מכשיר הכוח - מה שנקרא לפעמים "על שבב מיקרו-השפעה" גישה זו מבטלת את כל הממשקים התרמיים החיצוניים למעט המגניב עצמו.הפעלת פעילות ב-Giagja TechMI (FLT:0embedd microfluidic קירור ב-GNFLT) מראה כי יש לחץ גבוה יותר של לייזר של 80xt.

אינטליגנציה מלאכותית לניהול חיזוי

ככל שהדחיסות והכוח המחשוב יעלו, ניהול תרמי מבוסס בינה מלאכותית יהפוך לתכונה סטנדרטית של מערכות קירור מיקרו-השפעהיות. רשת עצבית עמוקה המוכשרת בטמפרטורה היסטורית ונתוני העומס יכולים לחזות היווצרות של נקודות חמות 100-200 מ"מ מראש, מה שמאפשר למערכת הקירור להתאים באופן פעיל את שערי הזרימה או לעבור בין ניתוח חד-פעמי להפחתה של 2-phase.

שילוב heterogeneous עם ייצור Additive

השילוב של קירור מיקרו-השפעהי עם תת-ממדי מודול כוח מוקרן הוא יצירת הזדמנויות חסרות תקדים עבור תרמי, חשמל ואופטימיזציה מבנית. קירור דו-צדדי - שבו microערוצים ממוקמים הן העליון והן בתחתית הכוח מת - ניתן לממש על ידי הדפסה תכונות ישירות על גבי נפח ייצור מחובר ישירות (DBC) substrate ואת לוח המעגל המודפס (PCB) מגביר את האזור האפקטיבי על ידי קירור 502D) ו-emic ייצור גם כן, כמו גם על ידי מגנטית סטנדרטית סטנדרטית של מתכת "מתאים" תוספת חום" תוספת מגנטית" תוספת של ייצור מותאם אישית "מתאים" (D) באופן קבוע של מתכתית" (DSD) מצמצם" (D) מ" תוספת חום סטנדרטית" (D) מצמצם את עלויות ייצור מופחתת) מכווץ) מסולק 3D) מכווץ) מסולק 3D) מכווץ) מכווץ) מסולחת חום סטנדרטית של מערכת ההפעלה באופן כללי (D) מסולחת חום סטנדרטית סטנדרטית סטנדרטית של מערכת ההפעלה באופן כללי של מערכת ההפעלה באופן כללי (DSD) מסולחת חום סטנדרטית) מכווץ גם את התקני מתכת סטנדרטית של מערכת ההפעלה באופן קבוע של מערכת ההפעלה באופן קבוע יותר ויותר "מתאים

סקלאלה ועלויות ניכוי

מבחינה היסטורית, קירור מיקרו-השפעהי היה מוגבל לנישה, יישומים יקרים בגלל ההוצאות של מיקרו-מצ'ינג ואת הצורך בחיתום אמין. ההתקדמות האחרונה בהזרקה של פולימרים עבור צינורות מיקרו-ערוצים וגלומים רול-to-to-roll יש לקצץ בעלויות ייצור על ידי סדר גודל כזה של פולימרים, בעוד תרמילי פחות מוליכים תרמיים מאשר מתכת, יכול להיות עם שכבת תחרותית של ייצור נחושת או ירידה בינונית, 000, 000, כדי להאיץ את נפח של נפח של נפח תעשייתית של נפח זה.

2-Phase Cooling עם Dielectric Fluids עבור אמינות גבוהה יותר

שני מיקרו-השפעה של קירור עם קירור דיאלקטרי מבטל את הסיכון של פירוק חשמל וסימולציות מערכת עיצוב על ידי הימנעות צורך של החלפת חום מים-אוויר.עבודה אחרונה על מיקרו-ערוצים "עצמים" - משפחות שעדיין פחות מדביקות את ה- Vapor ה-p-C-S-החומרה פחות מ-p-V-Sc-Sc-C-Ric פחות מ-p-Sc-C-Ric-Ric-S-Ric-S-S-R-C-Crecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerecerece-Cupt-Cupt-p-Cupt-Crecerecerecerecerecerecerecerecerece-p-R-Cupt-p-Cupt-R-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-p-to-p-p-p-p

מסקנה

קירור מיקרו-השפעה התפתח מסקרנות מעבדה לפתרון מעשי, ביצועים גבוהים לניהול התרמית של מודולים בעלי עוצמה גבוהה.עם חידושים בגיאומטריה ערוץ, חומרים, אינטגרציה חיישן, והייצור, המערכות המיקרו-השפעה של ימינו יכולות להתמודד עם גלי חום מוכחים, מערכות חשמל מתקדמות יותר, דרישות אחידות, אשר היו בלתי-חושות לפני עשור.