Modern Elektronikte Termal Yönetimin Büyülülüğü

Elektronik bileşenler aynı anda güç yoğunluğunda artışken, atık ısısının kaldırılmasının zorluğu performans ve güvenilirlikte en kritik şişen biri haline geldi. Gelişmiş işlemciler, grafikler kartları ve güç modülleri, 1 kW /cm) Yerel sıcak noktalarda, bu tür elektronik soğutma sistemlerinin kapasitelerinin ötesinde, bir sonraki elektronik çözümlerin yol açmadan önce ısınmış ısınmış ısınmış ısınmış bir şekilde hareket ettirilmesi için eşsiz bir yol sunar.

Capillary Action'ı anlamak: Fiziksel Kimyadan Mühendislike

Kapillary eylemi, ayrıca kapillarite olarak da bilinir, küçük bir sıvı-vapor arayüzünün iç içe dönük basıncının (küresel moleküller arasındaki) ve yapıştırıcı kuvvetleri tarafından verilir (örneğin, sıvı moleküllerin ve sağlam yüzeyi arasındaki kırılma).

{{P = 2 ⁇ cos ⁇ / r

⁇ sıvının yüzey gerilimi nerede, ⁇ sıvı ve sağlam arasındaki iletişim açısıdır ve kanalın mikro ölçekli soğutma sistemleri için idealdir. -Su için 90 °'den daha az, cos ⁇ olumludur ve sıvı kanala çekilir.

Konsept basit tüplerin ötesinde iyi genişletilir. Gözdengeçmiş mikro kanalların veya dizilerinde, kapillary güçleri, kondüktif bir pompalama ağı doğrudan bir yeraltı suyu bölgesine kadar serinletici bölgeye taşımaya çalışabilecek bir pompalama ağı yaratır.Bu, dışsal ısı boruların ve buhar odalarının temel prensibidir, ancak son gelişmeler doğrudan üst düzey soğutma mimarisine odaklanır.

Anahtar Fiziksel Parametreler

Üç birincil parametre mikro kanallarda capillary performansını yönetiyor:

  • [FONT:0)Surface gerginlik ( ⁇ ): Daha yüksek yüzey gerilimi, kapillary sürüş kuvvetini arttırır, ancak daha büyük viskous kayıpları nedeniyle akış direncini artırabilir.Su gibi ortak serinler, etanol veya mühendis dielektrik sıvıları 15 ila 72 mN /m arasında değişen yüzey gerilimine sahiptir.
  • [[Düzg:0)İletişim açısı ( ⁇ ): [Dönetici: [Dönetici:0) Daha düşük bir iletişim açısı (daha düşük) kapillary artışını geliştirir. 30° altındaki kontak açıları tercih edilir. Yüzey tedavileri, kaplamalar veya nano yapılandırması, temas açılarını önemli ölçüde azaltılabilir.
  • [FONT=0)Channel geometri: [Dönetici: [Dönekli: 0,4] Rectangular, tuzak mikro kanallar her biri farklı kapak basınç profilleri üretir. Araştırma, keskin köşelerle kanalların ( V-grooves gibi) kenarlar boyunca sürekli sıvı yollar sağlayarak kapillary akışını artırabileceğini gösterir.

Mikro Kanal Soğutma Mekanikleri Capillary Flow ile

Tipik bir kapillary-yeterli mikro kanal soğutma sistemi, kapalı sıvıyı üç ana bileşenle kullanır: mekanik bir pompayı (bağlantılı gürültü, titreşim ve güvenilirlik endişeleri ile ilişkili), kapillary sistemleri tamamen pasiftir.

Evaporatorda, mikro kanallar genellikle doğrudan silikon substratına veya ayrı bir kabloya bağlanırlar. serinlik boru kanallarına sıvı, absorbs ısı ve kaybolmaya başlar. Buhar daha sonra daha büyük kanallar veya buhar çekirdeği ile ısıtılır - buharlı ısı geçişi daha önce yapılır - wick'te geliştirilen kapillary basıncına geri çekilir.

Wicking Structures Türleri

Kapillary basıncı oluşturmak için birkaç wick mimarisi kullanılır:

  • [FONT:0)Mikrobiyozlar:[Dönder: 1 ) Basit paralel olimpikler ve hatta altta sıkıştırılmış veya makineliler. Düşük akış direnci ama mütevazı kapak basıncı sunarlar.
  • [FONT:0]Sintered toz wicks: [Döntilmiş toz wicks:[Döntilmiş) bakır veya alüminyum parçacıklar bir araya getirildi. küçük porselen boyutlardan dolayı yüksek hacimli baskı sağlarlar, aynı zamanda daha yüksek viskous direnci.
  • [FONT=0)Mesh ekranları:[Dönetici:[Dönetici:0) Katmanlı metal veya polimer ağları göz ardı edilebilir bir ortam oluşturmak için yığıldı.
  • [FONT:0)Biffer göz ardı edilebilir wicks:[Dönetici: 1 ) İki ayrı porselen boyutla mühendisleştirilmiştir - sıvı taşıma için buhar kaçış ve daha küçük gözenekler için daha büyük bir gözenekler. Bu tasarım buhar blokaj riskini azaltır ve kuru-out limitlerini artırır.

Modern araştırma aynı zamanda, kapiller yükselerek süperhidrasyon yüzeylerini de araştırmıştır.Bazı laboratuvarlar geleneksel sintered wicks'ten daha yüksek bir derece yüksek oranda artış gösterdi.

Termal Performans ve Limitler

Konillary-yeterli mikro kanal soğutucuları için birincil performans ölçüm cihazı etkili ısı transfer katsayısıdır (h)% 3 ), genellikle kW/m|D][/Döneticileri için optimize edilmiş olarak, yaklaşık 1-10 kW / 4 ile karşılaştırılmış olan çalışma raporu

Ancak, bu sistemler temel sınırları vardır.TheurFLT:0)kapillary limit) mevcut kapillary basıncı artık döngüde toplam baskının düşmesine neden olabilir (örneğin wick to değiştirilebilir, graval kafa ve faz-değişim basıncı gradients).

Capillary-Driven Microchannel Systems için Anahtar Tasarım Parametreleri

Mühendisler, bir kapillary-güdümlü mikro kanal soğutucu tasarlarken birkaç bağımlı değişken dengelemelidir. Aşağıdaki parametreler kritiktir:

Kanal Ölçüleri ve Aspect Oranları

Narrower kanalları kapak basıncı artırmakta, ancak aynı zamanda viskous baskısını da artırıyor. Optimal hidrolik çaplar genellikle 50 ila 500 μm'den tek kanal uygulamaları için, silikon oranları (kıtıldaklama) ile bu geometrilerin üzerinde kesin kontrol sağlar.

Yüzey Wettability

Dikkat edildiği gibi, hidrophilic yüzeyler önemlidir. ancak, cihazın tüm yaşam boyu düşük bir iletişim açısına ulaşmak zor. Contaminants, oxidation, ve termal bisikletler yüzey özelliklerini bozabilir. Diğer bir yaklaşım, titanyum dioksit (TiO)2)), hangi foto-indüklenmiş süperhidrofiteyi sergileyen veya kalıcı polimer gretleri (örneğin, polivinyl alkol) oluşturmak için kullanılır.

Coolant Selection

Çalışma sıvısının seçimi sistem performansı üzerinde derin bir etkiye sahiptir. İdeal soğutucular yüksek yüzey gerilimine sahiptir (güçlü kapak pompası için), düşük vizyumlar (küresel direnç (enerjik ısınıcısı için), yüksek ısı iletkenliği (iş sıcaklığı aralığı için uygun bir nokta.

  • [0]Deionized su:[[Dönetici:0) Mükemmel termofizik özellikleri, ancak yüksek geç ısı, buhar yönetimi kritik anlamına gelir. Ayrıca, su açık veya soğuk başlangıç ortamlarda dondurucuya karşı korumalıdır.
  • [FONT=0]Dielektrik sıvıları (örneğin, Kasımec 7200, HFE-7100): ) Elektriksel olarak, immersion veya doğrudan çip temas için onları güvenli hale getirmek. genellikle sudan daha düşük yüzey gerilimi ve daha düşük ısı iletkenliği vardır.
  • [FONT:0]Ammonia: [DDDDKD:0) Yüksek sıcaklık veya uzay aracı uygulamaları ( yüksek hızda ısı ve olumlu buhar basıncına kadar) kullanılır, ancak toksisite nedeniyle dikkatli bir şekilde ele geçirilmesi gerekir.
  • [FONT:0)Kendi-rewetting sıvıları: Olumlu yüzey gerilimi gradient ile sıcaklık ile yüksek çözünürlükte bir kapillary akışına ek olarak gösteren alkol çözümleri.

Geleneksel Pumped Systems üzerinden Avantajları

Capillary-yenekli mikro kanal soğutma, sıvı soğutma veya iki fazlı pompalanan sistemlere kıyasla birkaç çekici avantaj sunar:

  • [FONT:0]Zero hareket parçaları: [Dönetici: [Dönetici: 0,3] Pompa yok, motor yok, hiçbir mühür yok. Bu mekanik aşınmayı ortadan kaldırır, bakım azaltır ve uzun vadeli güvenilirlik geliştirir - görev-kırık sunucular ve uzay elektronikleri için önemli bir avantaj.
  • [FONT:0)Passive operasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0) Sistem ısı girişine dayanan kendini rahatsız eder.
  • [Düzücük güç tüketimi: [Düzen: 0,4] Tek enerji gerekli olan Konser fan veya radyatör için, eğer kullanılan pompa gücü, toplam soğutmaya% 10-20 eklenebilir.
  • [FONT:0]Sürek ve titreşimsiz: [Dönetici:[Dönetici:0) Recordent ve vibrasyonsuz:[Dönetici:0) Record stüdyosu, tıbbi görüntüleme ekipmanları ve tüketici elektronikleri gibi gürültüye duyarlı ortamlar için ideal.
  • [FONT:0)Gravity-in sensitive: Capillary güçleri mikro ölçekli kanallarda çekim kuvvetlerine hükmederek, bu sistemleri herhangi bir yönelim için uygun hale getirmek - taşınabilir cihazlar ve uydu para yükleri için kritik bir özellik.

Sınırlar ve Ticaret-Offs

Bu avantajlarına rağmen, capillary-yeterli soğutma evrensel bir panacea değildir.En yüksek ısı flux hala kapillary basıncı ile sınırlı ve wick permeability gerektirir.For applications requireing >1 kW/cm)), özellikle silikon tabanlı iki fazlı sistemler için kullanılabilir.

Capillary Microchannel Uygulamaları

Birkaç endüstri, talep edilen termal yönetim görevleri için capillary-güdümlü mikro kanal soğutması benimsemiştir:

Yüksek hacimli Hesaplama ve Veri Merkezleri

Örneğin, yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir veri deposu, yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir enerji ile kullanılan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte kullanılan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte kullanılan bir ısı pompası ile elde edilen yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte bulunan bir yüksek çözünürlükte, otomatik ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtıcı ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış ısıtıcı ısıtılmış ısıtılmış ısıtılmış

Power Electronics ve LED Aydınlatma

Yüksek güç LEDleri küçük bir pakette yoğun ısı üretir. Capillary-güdümlü mikro kanal ısı lavaboları yüksek hacimli otomotiv kafaları ve stadyum aydınlatma sistemleri ile giderek daha fazla performans gösterir. Soğutma döngüsündeki pasif doğa, toz veya dış ortamlarda dayanıklılık geliştirir. Benzer şekilde, elektriksel araç dönüştürücülerinde yapılan bipolar transistör modüller giderek daha fazla ısı pompasına güvenen ısı değiştiricileri ile ısıtılır.

Havacılık ve Savunma

Uzaylı uzayda, yerçekimi yok olduğu yerde, capillary eylemi sıvıları taşımanın tek güvenilir yoludur.Çaplar ısı boruları (LHPs) ve kapillary-puonic döngüleri (CPLs) çok sayıda uydu ve Uluslararası Uzay İstasyonunda akışlara sahiptir. Bu sistemler pompalar olmadan serinlemek için iyi bir yol kullanır.

Gelişen Araştırma ve Gelecek Trendleri

Kapillary-yenekli mikro kanal soğutma alanı hızla ilerliyor. Birçok umut verici yol araştırılıyor:

Nanoyapılı Wicks

Araştırmacılar, on nanometers için olağanüstü yüksek kapak basıncı sağlar, aynı zamanda 20°C boyunca yüksek termal iletkenlik sağlar.Dört ısı fluxes 700 W/cm) 20°C'den daha az sıcaklık artışı ile aşırı yüksek kapak basıncı sağlar.

Biomimetic Designs

Doğa, bu tasarımları taklit ediyor: örneğin, bir hidrofobik ve bir hidrofilik duvarı ile yönsel sıvı yayılmaya devam etmek gibi verimli kapiller-kanıklıklı sıvı taşıma örnekleri sunuyor. Bu, karmaşık manadalar olmadan tek yönlü buharlaşmaya izin verebilir.

Komplek Geometri için Katkı İmalatı

3D baskı teknikleri, özellikle de stereolithography (SLA) ve doğrudan metal lazer sintering (DMLS), şimdi mikro kanallarının makineye daha önce imkansız olan geometrilerle üretimine olanak sağlar. Conformal soğutma kanalları, yılanı kompleks elektronik paketler etrafında üretilebilen mekanik wick özellikleri ile üretilir.

Gelişmiş Termal Depolama ile entegrasyon

Örneğin, bir kapillary-zegen ısı yayıcısı ile faz değişim malzemeleri (PCMs) veya termal bataryalar geçici ısı aksanlarını kırabilir. Örneğin, bir kapillary-cooled ısı yayıcı ile akıllı bir telefon oyun sırasında patlama yük alabilir ve sonra depolanan ısıyı yavaş yavaş yavaş yavaş reddedebilir, tüm bu tür sistemler bu tür sistemler 2-3x tarafından ince form faktörlerinde genişletebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Capillary eylemi bir ders merakından çok daha fazlasıdır; uzun bir süre önce ısıtılabilir olan ısınıcıları ele geçirebilen güçlü bir mühendislik aracıdır.Modern elektronikler için sürekli olarak kullanılan nanoyapılı yüzeyler ve katkı maddeleri ile üretim mümkün olan sınırları zorlamaya devam edecektir.