Belægning hjælper elektronikken med at holde sig kølig ved at svede

Pattedyr sveder for at regulere kropstemperaturen, og forskere fra Shanghai Jiao Tong University i Kina undersøger, om vores telefoner kunne gøre det samme. I en undersøgelse offentliggjort 22. januar i tidsskriftet Joule , forfatterne præsenterer en belægning til elektronik, der frigiver vanddamp for at sprede varme fra kørende enheder - en ny termisk styringsmetode, der kunne forhindre elektronik i at overophede og holde dem køligere sammenlignet med eksisterende strategier.

"Udviklingen af ​​mikroelektronik stiller store krav til effektive termiske styringsteknikker, fordi alle komponenterne er tæt pakket og chips kan blive rigtig varme, " siger seniorforfatter Ruzhu Wang, der studerer køleteknik på Shanghai Jiao Tong University. "For eksempel, uden et effektivt kølesystem, vores telefoner kan have et systemnedbrud og brænde vores hænder, hvis vi kører dem i lang tid eller indlæser et stort program."

Større enheder såsom computere bruger blæsere til at regulere temperaturen. Imidlertid, fans er omfangsrige, støjende, og energiforbrugende og dermed uegnet til mindre enheder som mobiltelefoner. Fabrikanter har brugt faseændringsmaterialer (PCM'er), såsom voks og fedtsyrer, til køling i telefoner. Disse materialer kan absorbere varme produceret af enheder, når de smelter. Imidlertid, den samlede mængde energi, der udveksles under fast-væske-overgangen, er relativt lav.

I modsætning, væske-damp-overgangen i vand kan udveksle 10 gange energien sammenlignet med PCM-fast-væske-overgangen. Inspireret af pattedyrs svedemekanisme, Wang og hans team studerede en gruppe porøse materialer, der kunne absorbere fugt fra luften og frigive vanddamp, når de blev opvarmet. Blandt dem, metalorganiske rammer (MOF'er) var de mest lovende, fordi de kunne opbevare en stor mængde vand og dermed tage mere varme væk, når de blev opvarmet.

"Tidligere forskere har forsøgt at bruge MOF'er til at udvinde vand fra ørkenluften, " siger Wang. "Men MOF'er er stadig virkelig dyre, så storstilet anvendelse er ikke rigtig praktisk. Vores undersøgelse viser, at elektronikkøling er en god anvendelse af MOF'er i det virkelige liv. Vi brugte mindre end 0,3 gram materiale i vores eksperiment, og den kølende effekt, den producerede, var betydelig."

Holdet valgte en type MOF'er kaldet MIL-101(Cr) til eksperimentet på grund af dets gode vandabsorberende kapacitet og høje følsomhed over for temperaturændringer. De coatede tre 16 kvadratcentimeter aluminiumsplader med MIL-101(Cr) af forskellig tykkelse—198, 313, og 516 mikrometer, henholdsvis – og opvarmede dem på en varmeplade.

Holdet fandt ud af, at MIL-101Cr-belægning var i stand til at forsinke temperaturstigningen på pladerne, og effekten øges med belægningens tykkelse. Mens et ubelagt ark nåede 60°C efter 5,2 minutter, den tyndeste belægning fordoblede tiden og nåede ikke den samme temperatur før 11,7 minutter. Arket med den tykkeste belægning nåede 60°C efter 19,35 minutters opvarmning.

"Ud over effektiv køling, MIL-101(Cr) kan hurtigt komme sig ved at absorbere fugt igen, når varmekilden er fjernet, ligesom hvordan pattedyr rehydrerer og er klar til at svede igen, " siger Wang. "Så, denne metode er virkelig velegnet til enheder, der ikke kører hele tiden, som telefoner, opladning af batterier og telekommunikationsbasestationer, som nogle gange kan blive overbelastet."

For at undersøge den kølende effekt af MIL-101(Cr) på faktiske enheder, Wang og hans team testede en belagt køleplade på en mikrocomputerenhed. Sammenlignet med en ubelagt køleplade, den coatede reducerede chiptemperaturen med op til 7°C, når enheden blev kørt med store arbejdsbelastninger i 15 minutter.

Ser frem til, holdet planlægger at forbedre materialets varmeledningsevne. "Når alt vandet er væk, den tørrede belægning vil blive en modstand, der påvirker enhedernes varmeafledning", siger førsteforfatter Chenxi Wang. Inkorporering af termisk ledende additiver såsom grafen i materialet kan hjælpe med at løse problemet, han siger.

Før producenter kan installere dette kølesystem på vores telefoner, omkostninger er et stort problem, siger Ruzhu Wang. "Ved at finde MOF'er en praktisk anvendelse, vi håber at øge markedsefterspørgslen efter dem og tilskynde til mere forskning i MOF'er for at nedbringe omkostningerne."