「自然(Nature)」網站發表了一項新的散熱技術,研究者開發出3D適應性熱管(AHP),利用相變原理,結合客製化設計與3D列印技術,打造能適應任意形狀的散熱系統。
由於電子設備持續朝小型化發展,晶片電路製程日益精細,設備設計也更加緊湊。然而,電子元件的熱通量密度卻不斷攀升,嚴重影響設備效能。研究顯示,電子設備的壽命與其工作溫度直接相關,每升高10°C,故障率可能翻倍。因此,散熱管理成為電子設計的關鍵環節。
傳統的強制風冷和微通道冷卻等技術,在應對小型化、高整合度和非標準形狀的新興電子設備時,因空間限制而難以直接應用。被動式散熱技術利用材料本身的高導熱性,將高熱通量密度點的熱量分散到更大的表面積,成為解決緊湊型電子設備熱點問題的通用方案。然而,石墨烯薄膜等單相固態導熱材料在長距離傳熱中存在明顯衰減,限制了其在高熱通量密度應用中的有效傳輸範圍。
微熱管和均熱板等相變傳熱系統,利用工作流體的相變來傳輸熱量,實現極高的導熱性。然而,為了確保熱管內相變循環的穩定運行,必須保持高真空狀態,對微熱管的密封性能提出了嚴苛要求。傳統的熱管製造製程通常採用焊接或壓扁等成形技術,難以構建複雜的3D相變通道,限制了熱管配置的設計自由度。
因此,大多數兩相循環系統都維持簡單的1D或2D配置。雖然這些系統廣泛應用於智慧型手機和筆記型電腦等標準形狀的設備,但對於AR/VR頭戴式裝置或相機等形狀更複雜的電子設備,散熱管理仍主要侷限於晶片平面,大量可用於熱量分佈的空間被閒置。
為了突破這些限制,一項名為「3D適應性熱管(AHP)」的技術應運而生。該技術結合客製化逆向工程和數據驅動的3D熱鍵合技術,設計並製造出可適應任意形狀、不受組裝空間限制的3D兩相熱循環系統。
AHP系統中,工作流體在真空條件下吸收熱量,在蒸發器中蒸發成蒸汽,然後沿著3D蒸汽通道,順應電子設備的形狀到達冷凝器。在冷凝器中,蒸汽凝結成液體,然後通過燈芯的3D毛細通道返回蒸發器,建立連續的3D兩相熱循環。
AHP具有四個設計自由度:法向彎曲、徑向彎曲、扭轉和橫向調整。它能夠為任何曲面和複雜配置的電子設備建立穩定的3D相變通道,實現高達11363 W/m·K的最大導熱性。與各種被動式散熱技術相比,AHP在保持氣液相變循環超高導熱性優勢的同時,提供了任意形狀的設計自由度。
在實際應用中,AHP熱循環系統可被視為一種具有超高導熱性的材料,兼具結構功能一體化特性。AHP不僅可以作為整合到電子設備中的散熱元件,還可以作為內部支撐,甚至作為設備外殼或其他結構元件的一部分。特殊的3D形狀改變了氣液兩相循環的特性,賦予相變循環系統多功能和智慧化特性,為下一代相變傳熱系統提供了應用模式。