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科学家们的终极散热大法……

时间:2019-11-22 作者:Bill Schweber 阅读:
目前有许多有趣的创新研究致力于寻找如何摆脱多余的热,或是让敏感组件远离热的方法,哪些散热降温研究最具有发展潜力?

电力的产生和使用总是伴随着热而来,但这又必须加以排除。尽管有时候在较冷的环境中确实需要热以保持组件和系统的温度,但是,热通常都是多余的。设计人员有一连串的散热选择,能够将热传送到远处(但也因此可能成为某人或某种其他的问题)。这些方式包括非强制(自然对流)和强制性的空气冷却、散热片、导热管、冷却板、散热器以及液体冷却等,虽然可单独使用但更经常以某种组合形式搭配使用。

由于有着这么多种方法可以用来处理热,以及实施传导、对流和辐射的各种组合途径,您可能会认为应该没有什么值得研究的内容了。但这种想法并不正确:鉴于热移除(heat removal)的重要性,其所使用的技术和组件都是一个很大的研究领域,尤其是在大学中。我一直在寻找一些创新的热管理研究,即使是大多数的研究最后并没什么效果或者不切实际,但它们多半都是相当有趣的。例如,我最近注意到了以下三项研究:

辐射降温保持环境凉

针对大规模制冷,纽约州立大学水牛城分校(University at Buffalo)的研究团队开发了一种外观像盒子般的设计,能够将建筑物的热辐射至天空中;就像是一种热的发射天线。该设计采用一种低成本的聚合物/铝薄膜,将其放置在盒子底部一个专门设计的太阳能「遮光层」(图1)。

该薄膜吸收盒内周围空气中的热量,然后透过地球大气层将这些能量发射到外层空间(真的将热传送至「远处」!),因而让周围环境得以保持凉爽。这个遮光层不仅阻挡了入射的阳光,还能将薄膜吸收的热辐射发射到天空中。

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图1:该系统吸收盒内周围空气中的热量并透过地球大气层将能量发射至太空,有助于让周围环境保持凉爽。(来源:University of Buffalo)

「该聚合物透过热辐射散热而保持凉爽,同时还能让周围环境降温,」该校工程与应用科学系电子工程博士候选人、同时也是这篇研究论文第一作者Lyu Zhou说:「这称为辐射式或被动式冷却,它非常有趣,因为它完全不消耗电力——无需电池或其他电源即可实现冷却降温。」

白天,该薄膜与太阳能遮光层的组合,将一个大约46cm×10cm的测试箱温度降低大约6°C,到了晚上,温度更降低了11°C。到了晚上,这个数字上升到大约摄氏11度(约华氏20度)。他们计算出该设置的平均冷却功率为〜120W/m2。完整的细节请参考研究人员在*《自然可持续发展》(Nature Sustainability)*期刊上发表的论文——《用于全天辐射冷却的聚二甲基硅氧烷涂层金属结构》(A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling)。

近场辐射热传递突破黑体极限

在犹他大学(University of Utah),研究人员正探索使用近场(次波长真空间隙间距)辐射热传递(NFRHT)的发展,其中传递速率可能超过平坦表面之间的远场黑体极限,而这也是能量得以由热辐射产生的上限。Utah的研究团队证实,如果能够打造一款使用两个硅表面非常靠近的装置,就可能远远超出黑体的限制(不,他们并未声称其输出的能量较放入装置的能量更多;这是一种转换的设置)。

该装置使用微柱(micropillar)和微阱(micropit)来隔离高温发射器和低温接收器。这些微柱大约比发生辐射转换的奈米级真空间距更长4.5至45倍,因而能在不牺牲装置结构完整性的条件下让寄生热传导减至最小。发射器和接收器的厚度约为525μm,表面积为5.2×5.2 mm2;微柱的直径约为20μm或30μm,而刻蚀到发射极基板的阱深度约为4.5μm,直径约为215μm,如图2。

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图2:近场辐射热传递(NFRHT)装置和测试设置:a) NFRHT装置是由发射器和接收器组成,并以真空间隙间隔(d)加以隔离;发射器的底部视图显示了4个微柱/阱(2××2数组),但也针对具有3×3微柱/阱数组的装置进行测试;b)装置间隙(d≈380nm)的SEM影像图中,每一张SEM影像都对应至装置的一个角;c)装置的传热递测量设置和等效热电路;其组成由上到下包括一个热电加热器、一个嵌入于铜制散热器的热侧热敏电阻(用于测量高温;Th)、一个NFRHT装置、一个嵌入于铜制散热器中的冷侧热敏电阻(用于测量低温、Tl)、一个由铜散热器包围的热通量计,以确保透过该计和热电冷却器的热通量均匀。(来源:University of Utah)

传热递(heat-transfer)的测量使用一个带热电加热泵的真空室,以及一个接收器温度恒定在〜300K的热电冷却器。这项测试针对具有不同真空间隙间距和温差在〜5到100K之间的6种装置进行测试。研究人员发现,理论值和实验结果趋向于一致。对于各种不同装置测得的辐射通量均超过了远场黑体限值,其超越黑体限值的辐射传递增强量(EBB)约为28.5。有关这项研究的细节可参考研究人员发表于《自然奈米技术》(Nature Nanotechnology)期刊的「近场辐射热传递装置」(A near-field radiative heat transfer device)一文。

原子级隔热层散热节能

最后,美国史丹佛大学(Stanford University)的研究人员采用了一种广泛使用的隔热设计,例如节能窗中所使用的——采用多个隔离薄层,以创建超薄隔热层。研究人员采用一层石墨烯(仅1个原子厚)以及3个仅3原子厚的其他单层,创造了一种只有10原子深度的4层绝缘体,如图3所示。当原子的热振动穿过每一个隔热层时,如图4所示,它们将会被抑制而损耗许多能量。

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图3:这张放大的影像显示4层原子级厚度的材料,形成仅2-3奈米厚的隔热层。(来源:NIST)

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图4:隔离层的电气与扫描探棒特性;A)剖面图显示4探针配置;电流在石墨烯顶层流动,热量在各层之间耗散至基板;B) 4探针测试结构的光学影像;C)在真空(~10−5 torr)中测量3种测试结构堆栈——Gr/MoS2/WSe2、Gr/WSe2以及仅Gr控制装置的热传递特性。(来源:Stanford University、NIST)

这可以用来保护电子组件免于受到附近热来源影响吗?显然还无法。为了使这些奈米级热隔热层更加实用,目前还需要一种能够大规模生产的技术,可以在制造过程中进行沉积(研究人员推测也可能使用喷雾),将材料的原子薄层沉积到组件上。这项研究发表于AAAS《科学进展》(Science Advances)期刊中的「跨2D材料异质层的超高热隔离」(Ultrahigh thermal isolation across heterogeneously layered two-dimensional materials)一文。

我不知道其中有哪些(如果有的话)可望在将来被广泛采用或取得成功,但是在探索目前有哪些研究正在进行时,一面观察这些研究成果与进展也很有意思。

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:Innovations in Micro- and Macro Cooling – Maybe,编译:Susan Hong)

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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