В Китае научились охлаждать процессоры с помощью “потеющих” чипов

Млекопитающие потеют, чтобы регулировать температуру тела, и исследователи из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае изучают, могут ли наши телефоны делать то же самое. В исследовании, опубликованном 22 января 2020 года в журнале Joule, авторы представляют покрытие для электроники, которое выделяет водяной пар для рассеивания тепла от работающих устройств — новый метод терморегулирования может предотвратить перегрев электроники и сохранить их более холодными по сравнению с существующими стратегиями.

"Развитие микроэлектроники предъявляет большие требования к эффективным методам теплового управления, потому что все компоненты плотно упакованы и чипы могут стать действительно горячими. Например, без эффективной системы охлаждения наши телефоны могут выйти быстро из строя, и даже обжечь наши руки, если мы запускаем их в течение длительного времени или загружаем большое приложение”, - говорит старший автор ружу Ван, который изучает холодильную технику в Шанхайском университете Цзяо Тонг.

Более крупные устройства, такие как компьютеры, используют вентиляторы для регулирования температуры. Однако вентиляторы громоздки, шумны и потребляют много энергии и поэтому непригодны для небольших устройств, таких как мобильные телефоны. Производители используют фазовые переходные материалы (PCMs), такие как воск и жирные кислоты, для охлаждения в телефонах. Эти материалы могут поглощать тепло, производимое устройствами, когда они плавятся. Однако общее количество энергии, обмениваемой при переходе твердое тело - жидкость, относительно невелико.

В отличие от этого, жидкостно-паровой переход воды может обеспечивать обмен в 10 раз большей энергией по сравнению с твердофазным переходом PCM. Вдохновленный механизмом потения млекопитающих, Ван И его команда изучили группу пористых материалов, которые могли поглощать влагу из воздуха и выделять водяной пар при нагревании. Среди них наиболее перспективными были металлорганические каркасы ( MOFs), поскольку они могли хранить большое количество воды и таким образом забирать больше тепла при нагревании.

"Ранее исследователи пытались использовать MOFs для извлечения воды из воздуха в пустынях. Но MOFs все еще очень дорогие, поэтому крупномасштабное применение не очень практично. Наше исследование показывает, что электронное охлаждение является хорошим реальным применением MOFs. Мы использовали меньше чем 0,3 грамма материала в нашем эксперименте, и охлаждающий эффект он произвел значительно", - поясняет Ван.

Группа выбрала для эксперимента тип Mif под названием MIL-101 (Cr) из-за его хорошей водопоглощающей способности и высокой чувствительности к изменениям температуры. Они покрыли три 16-квадратных сантиметровых алюминиевых листа MIL-101 (Cr) различной толщины — 198, 313 и 516 микрометров соответственно — и нагревали их на нагревательной плите.

Команда установила, что покрытие MIL-101Cr было способно задерживать повышение температуры листов, и эффект увеличивался с толщиной покрытия. В то время как непокрытый лист достигал 60°C через 5,2 минуты, самое тонкое покрытие удваивало время и не достигало той же температуры до 11,7 минут. Лист с самым толстым покрытием достигал 60°С после 19.35 минут нагрева.

“В дополнение к эффективному охлаждению, MIL-101(Cr) может быстро восстанавливаться, поглощая влагу снова после удаления источника тепла, так же, как млекопитающие регидрируют и готовы снова потеть. Таким образом, этот метод действительно подходит для устройств, которые не работают все время, таких как телефоны, зарядные батареи и телекоммуникационные базовые станции, которые иногда могут перегружаться”, - говорят исследователи.

Инфракрасное сравнение изображений радиаторов с покрытием MIL-101(Cr) и без него

Чтобы исследовать охлаждающее действие MIL-101 (Cr) на реальных устройствах, Ван И его команда протестировали покрытый теплоотвод на микрокомпьютерном устройстве. По сравнению с немелованным теплоотводом, покрытый уменьшил температуру стружки до 7°C, когда устройство было запущено при больших рабочих нагрузках в течение 15 минут.

С нетерпением ожидая, команда планирует улучшить теплопроводность материала. Как только вся вода уйдет, высушенное покрытие станет сопротивлением, которое влияет на рассеивание тепла устройств. Включение в материал теплопроводных добавок, таких как графен, может помочь решить эту проблему.

“Прежде чем производители смогут установить эту систему охлаждения на наши телефоны, необходимо существенно снизить стоимость этой технологии. Находя MOFs практическое применение, мы надеемся увеличить рыночный спрос на них и поощрять больше исследований по MOFs, чтобы снизить затраты”, - пояснил Ружу Ван.