「自然(Nature)」网站发表了一项新的散热技术,研究者开发出3D适应性热管(AHP),利用相变原理,结合客制化设计与3D列印技术,打造能适应任意形状的散热系统。
由於电子设备持续朝小型化发展,晶片电路制程日益精细,设备设计也更加紧凑。然而,电子元件的热通量密度却不断攀升,严重影响设备效能。研究显示,电子设备的寿命与其工作温度直接相关,每升高10。C,故障率可能翻倍。因此,散热管理成为电子设计的关键环节。
传统的强制风冷和微通道冷却等技术,在应对小型化、高整合度和非标准形状的新兴电子设备时,因空间限制而难以直接应用。被动式散热技术利用材料本身的高导热性,将高热通量密度点的热量分散到更大的表面积,成为解决紧凑型电子设备热点问题的通用方案。然而,石墨烯薄膜等单相固态导热材料在长距离传热中存在明显衰减,限制了其在高热通量密度应用中的有效传输范围。
微热管和均热板等相变传热系统,利用工作流体的相变来传输热量,实现极高的导热性。然而,为了确保热管内相变循环的稳定运行,必须保持高真空状态,对微热管的密封性能提出了严苛要求。传统的热管制造制程通常采用焊接或压扁等成形技术,难以构建复杂的3D相变通道,限制了热管配置的设计自由度。
因此,大多数两相循环系统都维持简单的1D或2D配置。虽然这些系统广泛应用於智慧型手机和笔记型电脑等标准形状的设备,但对於AR/VR头戴式装置或相机等形状更复杂的电子设备,散热管理仍主要局限於晶片平面,大量可用於热量分布的空间被闲置。
为了突破这些限制,一项名为「3D适应性热管(AHP)」的技术应运而生。该技术结合客制化逆向工程和数据驱动的3D热键合技术,设计并制造出可适应任意形状、不受组装空间限制的3D两相热循环系统。
AHP系统中,工作流体在真空条件下吸收热量,在蒸发器中蒸发成蒸汽,然後沿着3D蒸汽通道,顺应电子设备的形状到达冷凝器。在冷凝器中,蒸汽凝结成液体,然後通过灯芯的3D毛细通道返回蒸发器,建立连续的3D两相热循环。
AHP具有四个设计自由度:法向弯曲、径向弯曲、扭转和横向调整。它能够为任何曲面和复杂配置的电子设备建立稳定的3D相变通道,实现高达11363 W/m·K的最大导热性。与各种被动式散热技术相比,AHP在保持气液相变循环超高导热性优势的同时,提供了任意形状的设计自由度。
在实际应用中,AHP热循环系统可被视为一种具有超高导热性的材料,兼具结构功能一体化特性。AHP不仅可以作为整合到电子设备中的散热元件,还可以作为内部支撑,甚至作为设备外壳或其他结构元件的一部分。特殊的3D形状改变了气液两相循环的特性,赋予相变循环系统多功能和智慧化特性,为下一代相变传热系统提供了应用模式。