전자기기 방열 신기술

전자 장비의 점진적인 소형화 및 정밀화로 인해 방열 문제가 발생했습니다. 온도는 전자 장비의 작동 성능에 큰 영향을 미칩니다. 안정적이고 연속적으로 작동하는 전자 칩을 위해 최대 온도는 필요에 따라 85℃를 초과할 수 없습니다. 반도체 부품의 온도가 10℃ 상승할 때마다 시스템의 신뢰성은 50% 감소합니다. 통계에 따르면 전자기기 고장의 55% 이상이 과도한 온도로 인해 발생합니다. 기존 전자칩에서 냉각에 사용되는 부피는 98%를 차지하고 컴퓨팅 작업에는 2%만 사용되지만 현재의 방열 문제를 해결하기에는 여전히 어렵습니다. 고온은 전자 장비의 성능에 해로운 영향을 미치며 이러한 전통적인 방열 방식에는 특정 제한 사항이 있습니다. 따라서 전자 장비의 수명과 효율적인 성능을 보장하기 위해 전자 장비의 더 나은 방열 방법을 탐색하고 개발하는 것이 시급합니다.

01 냉각 기술 전통적인 방열 방식은 우리 일상 생활에서 자주 볼 수 있는데, 현재의 개발은 매우 성숙하고 원리가 간단하기 때문에 여기에서 반복하지 않겠습니다.

1.1 액체 냉각

액체 냉각은 열원을 통과하는 액체를 사용하여 칩에서 발생하는 열을 소음 없이 제거하고 열 교환 용량이 높습니다. 다음은 기존의 직접 액체 냉각 확장을 기반으로 하는 새로운 기술인 액체 냉각의 몇 가지 방법입니다.

1.1.1 마이크로채널 냉각

마이크로 채널 냉각은 칩 아래의 기판에 여러 마이크로미터 수준의 유체 채널을 에칭하여 유체가 채널을 통해 흐를 때 칩의 열을 흡수하도록 하는 것입니다. 이 방법에는 단상 열교환과 2상 열교환이 ​​있습니다. 그 중 단상 열교환의 열용량이 작고 열교환 효과가 좋지 않으며 냉각 후 온도가 고르지 않아 과도한 응력이 발생합니다. 이에 반해 2상 열교환은 잠열이 크고 열교환 용량이 높고 냉각 후 온도가 균일하며 큰 응력이 발생하지 않고 작동유체 온도가 그다지 높게 상승하지 않는다. 마이크로채널 냉각의 2상 열전달은 현재 연구 핫스팟입니다. 저압 냉매를 작동 유체로 사용하는 2상 열전달에서 방열 용량은 300W/cm2 이상에 도달할 수 있습니다. 실험을 통해 Yu Zukang et al. 마이크로 채널의 열 전달 성능을 효과적으로 향상시키기 위해 표면 친수성을 얻었습니다. 낮은 열유속과 낮은 입구 건조도에서 초친수성 표면의 평균 열전달 계수가 가장 크며 이는 일반 평활면의 평균 열전달 계수보다 64% 높습니다. 친수성 표면의 평균 열전달 계수는 일반 매끄러운 표면보다 최대 27% 높습니다. 높은 열유속 및 높은 입구 건조 조건에서 초친수성 표면의 평균 열전달 계수 값은 일반 평활면의 평균 열전달 계수 값보다 최대 약 80% 높습니다. 친수성 표면은 일반 매끄러운 표면보다 최대 약 50% 높습니다. 그림 1은 마이크로 채널 냉각의 구조를 보여줍니다.

CHF(Critical Heat Flux)는 마이크로 채널의 성능에 영향을 미치는 중요한 매개변수 중 하나입니다. Yuan Xudong 등은 CHF의 연구 진행 상황을 자세히 소개하고 학계에 존재하는 CHF뿐만 아니라 CHF에 영향을 미치는 메커니즘과 개선 방법을 자세히 소개했습니다. 의견의 차이. 마이크로 채널의 크기가 작기 때문에 경로에 따른 저항이 매우 큽니다. 그 구조는 또한 냉각에 큰 영향을 미치며 직선 및 평행 마이크로 채널을 사용하면 큰 압력 강하와 온도 구배가 발생합니다. 많은 장점이 있습니다. 채널이 에칭되어 더 많은 공간을 차지하지 않기 때문에 마이크로 채널 냉각이 더 효율적이고 컴팩트해지며 소형 전자 칩에 더 적합합니다. 일반적으로 이중층 마이크로 라디에이터는 차세대 전자 장비의 증가하는 열 부하를 충족할 수 있다고 믿어집니다. Xiaogang Liu et al. 마이크로채널의 이중층 매트릭스 구조(DL-M) 및 이중층 상호연결 매트릭스 구조(DL-IM) 구조를 제안했습니다. 그리고 라디에이터의 다양한 성능을 연구하기 위한 수치 시뮬레이션을 통해 더 나은 열 성능을 가지고 있음이 입증되었습니다.

마이크로 채널 냉각에는 특정 단점이 있지만 발생하는 문제를 해결할 수 있으며 개발이 더 성숙합니다. CHF에 대한 연구는 서로 다른 견해를 가지고 있지만 이것이 마이크로 채널 기술의 발전을 방해하지 않으며 향후 개발 방향이 더 집중될 것입니다. 보다 효율적인 마이크로 채널 냉각을 달성하기 위해 CHF를 개선하는 방법, 이러한 종류의 방열 방법도 대중화될 것입니다.

1.1.2 분무 냉각 분무 냉각은 전자 장치에 기액 2상 분무를 형성하기 위해 노즐을 통해 액체를 분무하는 것입니다. 그것의 한 부분은 열을 흡수하고 기화하고 열의 일부는 상 변화에 의해 제거됩니다. 다른 부분은 열원의 표면에 액막을 형성하고 열은 액체를 따릅니다. 멤브레인의 흐름이 제거됩니다. 액막의 비응축성 가스는 열교환 교란을 강화하여 전자 장비의 방열 능력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 분무 냉각의 상 변화 열유속 밀도는 1000W/cm2 이상에 도달할 수 있습니다. Linet al. 상 변화 열을 위한 작동 유체로 탄화불소, 메탄올 및 물을 사용했습니다. 실험을 통해 얻은 최대 열유속 밀도는 각각 90, 90, 90이었다. 490, 500 W/cm2 이상. 도 2는 분무 냉각의 개략도이다.

이 냉각 방법에는 해결해야 할 몇 가지 단점이 있습니다. 분무 냉각 방식은 시스템이 복잡하고 공간 요구 사항이 높으며 유지 관리가 어렵습니다. 액체 유량이 적고 냉각 후 칩 온도 분포가 균일하고 응력이 낮기 때문에 분무 냉각은 개발 잠재력이 좋은 전자 칩의 방열 방법으로 간주됩니다. 현재로서는 기존 문제가 해결되지 않아 군용 및 항공 제품에만 사용할 수 있다. Wang Gaoyuan et al. 저압 조건에서 R134a에 대한 분무 냉각 실험을 수행한 결과, 저압 조건에서의 분무 냉각은 압력 감소에 따라 점차적으로 열전달 용량을 감소시키고 플래시 증발은 열전달 용량에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 노즐. 분무 냉각 유체에 나노 입자, 계면 활성제, 가용성 염 및 가스, 알코올 첨가제를 추가하면 열 전달 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. Li Yiyi는 계면 활성제의 첨가가 분무 냉각의 열 전달 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 실험을 통해 확인했으며 특히 SDS를 첨가하는 것이 가장 좋은 효과를 나타냅니다. 그러나 현재 첨가제를 첨가하는 방법은 아직 초기 단계이며 기존의 문제는 더 복잡합니다.

스프레이 쿨링은 공간 제약이 있어 소형 전자기기에는 사용할 수 없지만 슈퍼컴퓨터에 사용하면 효과가 매우 좋다. 현재 스프레이 냉각 기술은 CREY 슈퍼컴퓨터에 적용되고 있으며 데이터센터에서도 대규모로 사용되고 있다. 이 냉각 방법의 개발로 응용 프로그램이 더 성숙해질 것으로 믿어집니다.

위의 세 가지 액체 방열 방식에는 각각의 장단점이 있습니다. 분무 냉각과 제트 냉각은 유사합니다. 그들의 구조는 매우 복잡하고 일상적인 전자 장비에 적합하지 않습니다. 그러나 그들은 강력한 방열 기능을 가지고 있습니다. 분무 냉각은 빅 데이터 방열에서 슈퍼 컴퓨터에 적합합니다. 제트 냉각은 전투기, 항공기 등과 같은 군용 산업 품목에 적합합니다. 이 두 가지 방열 방식은 최근 몇 년 동안 대체할 수 없습니다. 마이크로 채널 냉각은 일상 전자 장비 또는 기타 정밀 전자 기기에 관계없이 미래 개발의 일반적인 방향이며 이 방법을 채택할 것입니다.