האתגר הגדל של ניהול התרמומלי באלקטרוניקה המודרנית

ככל שמרכיבים אלקטרוניים מתכווץ בגודל בעת ובעונה אחת גדלות בצפיפות כוח, האתגר של הסרת חום הפסולת הפך לאחד מצוואר הבקבוק הקריטי ביותר בביצועים ואמינות.מעבדים מתקדמים, כרטיסי גרפיקה ומודולים כוח לייצר גלי חום שיכולים לעלות על 1 קילוואט / סנטימטר:02FLT:1 במקומות חמים מקומיים, הרבה מעבר ליכולת של חום אווירי מסורתי שקוע אווירי, אשר יכול לעלות על ידי מיקרו-מסלולים ייחודיים, כמו גם על ידי ייצור של פתרונות חשמליים, ללא פתרון ייחודי, כמו גם אווירי, אשר מוביל, כמו גם הוא זרם אנרגיה נוזלי, ללא פתרון ייחודי, כמו גם הוא זרם ייחודי, כמו גם הוא מסוגל, כמו גם אווירי, ללא פתרון מגנטית מים גמיש, כמו גם הוא מסוגל, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, ללא תנועה, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי ייחודי, ללא פתרון ייחודי, כמו גם עבור מערכות מגנטית ניקוי אווירי, כמו גם עבור פתרונות מגנטית אווירי, ללא תנועה, כמו גם עבור אווירי, כמו גם אווירי, כמו גם אווירי, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל

הבנת הפעולה של Capillary: מכימיה פיזית ועד הנדסה

פעולה Capillary, הידוע גם כ- capillarity, היא התנועה הספונטנית של נוזל בתוך חלל צר המונע על ידי הממשק של כוחות cohesive (התנעה בין מולקולות נוזליות) לבין כוחות דבקים (התנעה בין מולקולות נוזליות לבין פני השטח המוצק). תופעה זו מכוונת על ידי משוואה Young-Laplace, המתארת את ההבדל הלחץ על פני מגובה של מחוספס נוזלי מעוקל או לחץ.

⁇ P = 2 ⁇ cos ⁇ / r

כאשר ⁇ הוא מתח פני השטח של הנוזל, ⁇ הוא זווית מגע בין הנוזל לבין מוצק, ו r הוא הרדיוס היעיל של הערוץ.עבור מים על משטח הידרופילי (זווית מגע פחות מ -90 מעלות), cos ⁇ הוא חיובי, ואת הנוזל הוא נמשך לתוך הערוץ.אפקט משאבה פסיבית זו הופכת להיות יותר ויותר חזקה כמו הקוטר מתכווץ, מה שהופך אותו אידיאלי עבור מערכות קירור בקנה מידה.

המושג משתרע היטב מעבר צינורות פשוטים.In ⁇ wicks או מערכי מיקרו ערוצים מקבילים, כוחות capillary ליצור רשת מופצה אשר יכול להעביר קירור מאזור condenser בחזרה לאזור evaporator ללא כוח חיצוני.זהו העיקרון הבסיסי מאחורי צינורות חום ותאים אדפור, אבל ההתקדמות האחרונה התמקדה באינטגרציה של capilla-oriented ישירות לתוך אדריכלות השבבים.

פרדוקס פיזיקלי

שלושה פרמטרים עיקריים למשול בביצועי capillary במיקרו-ערוצים:

  • (ב) [ה]: [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]] מתח גבוה יותר מעלים את כוח הנהיגה של קפילארי, אך עשוי גם להגביר את ההתנגדות לזרימה עקב הפסדים גדולים יותר של צ'רטוטים כמו מים, אתנול, או מינרלים דיאלקטריים מהונדסים יש מתחים על פני השטח החל מ-15 עד 72 מ'.
  • (FLT:0) זווית מגע נמוכה ( ⁇ ): 1FLT:1 זווית מגע נמוכה (בטוב רטוב) משפר את העליות capillary. hydrophilic עם זוויות מגע מתחת 30 מעלות הם העדיפו.
  • (FLT:0Channel Geomia:FLT:1 Rectangular, מלכודות, ומיקרוסקופים משולשים כל אחד לייצר פרופילים שונים של לחץ על capillary.מחקר מראה כי ערוצים עם פינות חדות (כגון V-grooves) יכולים לשפר את זרימת capillary על ידי מתן מסלולים נוזליים רצופים לאורך הקצוות.

The Mechanics of Microchanneling with Capillary Flow

מערכת קירור מיקרו-ערוצית טיפוסית של capillary משתמשת בלולאה סגורה עם שלושה מרכיבים עיקריים: קטע מנבאר המספוג חום מהמכשיר האלקטרוני, סעיף condenser הדוחק חום אל תוך המאמין, ומבנה וויקקינג המחזיר את הנוזל המנודד למחצב באמצעות פעולה כרובית.

ב ⁇ , המיקרו ערוצים לעתים קרובות מוטבעים ישירות לתוך תת סיליקון או מחובר כמו חד-פעמי נפרד.הקרר נכנס הערוצים כנוזל, סופג חום, ומתחיל לרתח. ה vapor הוא אז vented דרך ערוצים גדולים יותר או ליבת אדפור נפרד ל condenser. כמו vapordenes, הוא נוזל מקסימלי כדי לא להתכווץ עד מחזור חום מתמשך.

סוגים של מבנים

כמה ארכיטקטורות צמחיות משמשות לייצור לחץ פלמילי:

  • (ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) אבקת אבקה מנטרת: 1 (FreaLT:1) עשוי חלקיקים נחושת או אלומיניום מחוברים יחד.הם מספקים לחץ רב של כוויות עקב גודל קטן, אך גם גבוה יותר התנגדות מולקווס.
  • (ב) ,0) ממסכים: 1FLT 1 מתכת שכבתית או מלות פולימריות מחסנית מחסנית ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Bi ⁇ wicks:FLT:1) מהנדס עם שני גדלים נפרדים - מטענים גדולים יותר עבור בריחה vapor ו pores קטנים יותר עבור תחבורה נוזלית.זה עיצוב מפחית את הסיכון של חסימת vapor ומשפר את גבולות יבש-out.

מחקר מודרני חקר גם את השימוש ב-FLT:0 (פחמן ננו-בוקס) 1:1 ו- (FLT:2silicon ננוwiresFLT 3: 3) כדי ליצור משטחים על-ידי הצפה אשר משפרים באופן דרמטי את עליית capillary.

ביצועים וגבולות

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עם זאת, מערכות אלה יש גבולות יסודיים.ה-FLT:0capillary LimitFLT:1 מתרחשת כאשר הלחץ הקפילארי זמין כבר לא יכול להתגבר על הירידה בלחץ הכולל בלולאה (בשל אובדן מולקולוס, ראש כבידה, ושעון שינוי שלב ⁇ ) את הפחתת הלחץ היבשה, כלומר, על מנת להגדיל את רמת הנפיחות המהירה של חום, על מנת לעמוד על מנת לעמוד על מנת לעמוד על פני השטח של חום, ועל יכולת הנפיחות מהירה של הנפיחות של תאים נקיים, לחץ הדם.

ראשי תיבות של Capillary-Driven Microchannel Systems

מהנדסים חייבים לאזן מספר משתנים בין-תלויים בעת תכנון מיקרו-ערוצי מונעים על ידי capillary.הפרמטרים הבאים הם קריטיים:

מידות ערוצים ו-Aspect Ratio

ערוצים נארור מגבירים את לחץ ההמראה אך גם מגבירים את הירידה בלחץ הפנים.הטרים הידראוליים של אופטימאליים נעים בדרך כלל בין 50 ל-500 מיקרומטר ליישומים ערוצים בודדים, עם יחסים של היבטים (width to עומק) מ 1 עד 10.עבור מערךים רב ערוצים, את תיבת התעלה (מרכז לספא מרכזי) קובע את השטח הפעיל להעברה מודרנית כגון טכניקות קירור עמוק כגון סיליקון מדויק (Ring גיאוגרפי) על פני שטח (מרכז) על פני שטח גיאוגרפי (מרכז מרכזי) על פני שטח אחסון גיאוגרפי (מרכז) על פני שטח זה מאפשר שליטה גיאוגרפי (מרכז מרכזי).

אפשרויות ל-Wtability

כאמור, משטחים הידרופיליים הם חיוניים.עם זאת, השגת ושמירה על זווית מגע נמוכה לאורך כל החיים של המכשיר הוא מאתגר. Contaminants, חמצון, ורכיבה תרמית יכולה להפיג את תכונות פני השטח של הדרגה.מהנדסים לעתים קרובות ליישם ציפוי כגון תחמוצת טיטניום (Titanium דו חמצני:02FLT:1), אשר מציגות superhydropicity, או קבוע (Flen) ללא קשר לכימיה מלאה.

בחירה מגניבה

הבחירה של נוזל עבודה יש השפעה עמוקה על ביצועי המערכת.קררים אידיאליים יש מתח פני השטח גבוה (עבור משאבה חזקה של capillary), מהירויות נמוכות (לצמצם את עמידות זרימה), מוליכות תרמית גבוהה (לקליטת חום יעילה), ונקודת רתיחה המתאימה לטווח הטמפרטורה התפעולי.

  • (ב) מים מהונדסים:0 (FLT:1) תכונות תרמופיקליות מצוינות, אך חום מאוחר יותר פירושו ניהול אדפור הוא קריטי.
  • (ב) ⁇ (למשל, נובאק 7200, HFE-7100): אנדרט 1:1 באופן חשמלאי לא מוליכים, מה שהופך אותם בטוחים עבור ⁇ או מגע ישיר שבב.
  • (FLT:0) אמוניה: FLT:1 בשימוש ביישומים עתירי זמן גבוהה או חלליות (בשל החום המאוחר שלה ולחץ אדפור חיובי), אך דורש טיפול זהיר עקב רעילות.
  • (FLT:0) ,rewetting נוזלים:03FLT) 1 פתרונות מסוכנים של אלכוהול המציגים מתח פני חיובי ⁇ עם טמפרטורה, אשר יכול להגדיל את זרימת capillary בנוסף למנגנון סטנדרטי.

יתרונות במערכות מסורתיות

קירור מיקרו-ערוצי מונע Capillary מציע כמה יתרונות משכנעים בהשוואה לקירור נוזלי או מערכות מוכובות שני-phase:

  • (FLT:0)Zero Moving Parts:FLT:1 No משאבה, ללא מנוע, שום חותם.זה מבטל ללבוש מכני, מקטין תחזוקה, ומשפר אמינות לטווח ארוך - יתרון מפתח לשרתים קריטיים ואלקטרוניקה אווירוקל.
  • (FLT:0) תפעול פסיבי: FLT:1 המערכת עצמה שולטת על בסיס קלט חום.אין צורך בחיישנים או אלגוריתמים של שליטה לצורך התאמה בקצב זרימת הדם.
  • (FLT:0) צריכת החשמל: 1FLT:1 האנרגיה היחידה הנדרשת היא עבור מאוורר או רדיורטור, אם נעשה שימוש.ד.ד.הכוח במערכות קונבנציונליות יכול להוסיף 10-20% לסף הקירור הכולל.
  • (FLT:0) ללא רטט ורטוט: FIRLT:1 אידיאלי עבור סביבות רגישות רעש כגון אולפנים להקליט, ציוד הדמיה רפואי ואלקטרוניקה צרכנית.
  • כוחות Capillary שולטים על כוחות כבידה בערוצי מיקרו-אזור, מה שהופך את המערכות הללו להתאמה כלשהי – תכונה קריטית למכשירים ניידים ולמטענים לווייניים.

הגבלות ומסחר

למרות היתרונות האלה, קירור מונע קפילארי אינו תרופת כלל.השפעת החום המקסימלי מוגבלת על ידי לחץ capillary ואת הכדאיות הוויקילית.עבור יישומים הדורשים > 1 קילוואט / ס"מ:02FLT:1, שואבת שתי מערכות דו-phase עדיין עשוי להיות הכרחי.

יישומים אמיתיים של Capillary Microchanneling

כמה תעשיות אימצו קירור מיקרו-ערוצי מונע על ידי capillary עבור משימות ניהול תרמיות דורשות:

מחשוב גבוה ומרכזי נתונים

יצרני שרתים מובילים כגון:0 (IBMMMoriLT:1 ו-FLT:2FujitsuFLT 3: 3) הוכיחו צלחות קרות באמצעות מיקרו-ערוצים משובצים עם וויקילי קירור מעבד.בכמה עיצובים, השרת כולו מקרר על ידי מערכת צינורות חום סגורה, אשר משתמשת פעולה קפיית כדי להחזיר נוזלים ממטר מרוחקים של נתונים, בהשוואה להורדת מים, לעומת 2 מרכזי קירור מופחתים, 000 ליטר מים.

Power Electronics and LED תאורה

LEDs בעוצמה גבוהה לייצר חום אינטנסיבי חבילה קטנה. Capillary מונעים כיור חום מיקרו ערוצים משמשים ב High-lumen רכב מערכת תאורה תאורה אצטדיון.הטבע הפסיבי של לולאה הקירור מבטל את הצורך עבור אוהדים, שיפור עמידות בסביבה אבקה או חיצונית. בדומה, insulated bitraistor (IG) ברכב חשמלי במכות חשמליות הם יותר ויותר מכווצים עם קיבולת קירור קרת על ידי קירור.

אוויר והגנת

בחלליות, שבו הכבידה נעדרת, פעולת capillary היא הדרך האמינה היחידה להעביר נוזלים. Loop צינורות חום (LHPs) ו- capillary-pumped לולאות (CPLs) טסו על לווינים רבים ותחנת החלל הבינלאומית.מערכות אלה משתמשות במשט דק-פוור כדי להפיץ קריר ללא משאבות, השגת תחבורה חום על פני כמה מטרים.

מחקר ומגמות עתידיות

שדה קירור מיקרו-ערוצי מונע של capillary מתקדם במהירות.כמה כיוונים מבטיחים נחקרים:

ננודור Wicks

חוקרים במוסדות כמו FLT:0.UC ברקליFLT:1eur wicks מורכבים ננו-tube פחמן תואמים אנכית או ננו-חוט נחושת. מבנים אלה מספקים לחץ קפיל גבוה במיוחד בשל גדלים גבוהים על סדר של עשרות ננומטרים, תוך מתן גם מוליכות תרמית גבוהה לאורך כיוון צירי.

עיצובים ביומטיים

הטבע מציע דוגמאות רבות של תחבורה נוזלית מונעת קפילארי יעילה, כגון xylem בצמחים ואת העור של טקטים במדבר מסוימים. מהנדסים מחקים עיצובים אלה: למשל, יצירת מיקרו ערוצים סימטריים עם קיר הידרופובי אחד הידרופילי כדי להשיג התפשטות נוזלית כיוון.זה יכול לאפשר טיהור חד-צדדי ללא הפרדה מורכבת.

ייצור תוספתי עבור תרכובות Geometries

טכניקות הדפסה תלת מימדיות, במיוחד סטראוליתוגרפיה (SLA) ו- לייזר מתכת ישיר מחטא (DMLS), מאפשרות כעת את ייצור המיקרו-ערוצים עם גיאוגרפיות שלא היו אפשריות בעבר למכונה.ערוצי קירור מתקדמים הנחשים סביב חבילות אלקטרוניות מורכבות ניתן לייצר עם תכונות מובנות-in-in-wick. זה פותח את הדלת לפתרונות קירור מותאמים אישית עבור מעגלים משולבים יישומים (AS) ו-S) ו-S.

שילוב עם Advanced Thermal Storage

שילוב של קירור מיקרו-ערוצי מונע של capillary עם חומרים של שינוי שלב (PCMs) או סוללות תרמי יכול לטבול את ספיגות חום transient.לדוגמה, טלפון חכם עם מפיץ חום מצופה עשוי לספוג עומס במהלך המשחקים ולאחר מכן לדחות את החום המאוחסן לאט בזמן idle, כל ללא אבטיפוס ראשוני מראה כי מערכות כאלה יכולות להאריך את הביצועים גבוהים על ידי 2-3x בגורמים דקים.

מסקנה

פעולה Capillary היא הרבה יותר מסקרנות ספרי לימוד; זהו כלי הנדסי רב עוצמה המאפשר ניהול תרמי יעיל מאוד, אמין ופאסיבי עבור אלקטרוניקה המודרנית. על ידי הבנה וקידוד של יחסי מתח פני השטח, רטובה וגיאומטריה ערוצים, מהנדסים יצרו מערכות קירור מיקרו ערוצים שיכולים להתמודד עם גלימות חום שהיו ללא הערכה לפני עשור.