محققان ژاپنی هندسه میکروکانال را با ساختارهای مویرگی ترکیب کرده‌اند تا رکورد عملکردی را ثبت کنند و راه را برای پیشرفت در الکترونیک و فناوری پایدار هموار کنند.

به نقل از آی‌ای، قانون مور(Moore) به چندین دهه پیشرفت در الکترونیک دامن زده است و تراشه‌ها را کوچکتر و قدرتمندتر می‌کند، اما این کوچک‌سازی هزینه‌ای نیز دارد. گرمای بیشتر در فضای کمتر، روش‌های خنک‌کننده فعلی را محدود می‌کند.

محققان مؤسسه علوم صنعتی در دانشگاه توکیو برای مقابله با این مشکل رو به رشد، یک روش خنک‌کننده جدید برای ریزتراشه‌ها توسعه داده‌اند.

تجدید نظر در خنک سازی با کوچک شدن تراشه‌ها

امروزه یکی از مؤثرترین روش‌های خنک کننده، از میکروکانال‌های تعبیه شده در تراشه برای گردش آب و حذف گرما استفاده می‌کند، اما این رویکرد توسط گرمای محسوس آب که میزان انرژی قابل جذب قبل از جوشیدن است، محدود می‌شود. در مقایسه، گرمای نهان آزاد شده در حین جوشش تقریباً هفت برابر بیشتر است و پتانسیل خنک کنندگی بسیار بیشتری را ارائه می‌دهد.

اگرچه این روش مؤثر است، اما توسط گرمای محسوس آب که انرژی لازم برای افزایش دما بدون تغییر حالت است، محدود می‌شود. در مقایسه، گرمای نهان جذب شده در طول جوشش یا تبخیر حدود هفت برابر بیشتر است و پتانسیل خنک‌سازی بسیار بیشتری را ممکن می‌سازد.

به گفته محققان، بهره‌برداری از گرمای نهان آب باعث خنک‌سازی دو حالتی می‌شود که منجر به بهبود قابل توجهی در راندمان اتلاف گرما می‌شود.

تحقیقات قبلی نوید خنک‌سازی دو حالتی را نشان داده است، اما به چالش‌هایی نیز اشاره کرده است که عمدتاً در مدیریت جریان حباب بخار پس از گرمایش است. بنابراین، برای به حداکثر رساندن راندمان انتقال حرارت، عواملی مانند طراحی میکروکانال، کنترل جریان دو حالتی و مقاومت جریان باید بهینه شوند.

استفاده از کانال‌های میکروسیال سه‌بعدی برای بهبود کارایی

این تحقیق یک سیستم خنک‌کننده آب ابتکاری را ارائه می‌کند که کانال‌های میکروسیال سه‌بعدی، ساختارهای مویرگی و یک لایه توزیع چند ظرفیتی و چند لایه را در خود جای داده است. این تیم هندسه‌های مختلف مویرگی را برای ارزیابی عملکرد آنها در شرایط مختلف طراحی و آزمایش کردند.

نتایج نشان داد که هم هندسه میکروکانال که جریان خنک کننده را هدایت می‌کند و هم کانال‌های چند ظرفیتی که توزیع مایع خنک کننده را تنظیم می‌کنند، بر عملکرد حرارتی و هیدرولیکی سیستم تأثیر می‌گذارند.

به گفته محققان، ضریب عملکرد(COP) که نسبت خروجی خنک‌کننده مفید به انرژی ورودی مورد نیاز را اندازه‌گیری می‌کند به ۱۰۵ رسید که نشان‌دهنده پیشرفت قابل‌توجهی نسبت به روش‌های خنک‌کننده سنتی است.

این تیم بر این باور است که این طراحی می‌تواند فرصت‌های جدیدی را برای مدیریت حرارتی در دستگاه‌های الکترونیکی پرقدرت که برای پیشرفت فناوری نسل بعدی ضروری است، فراهم کند.

علاوه بر این، این سامانه با استفاده از تغییرات حالت مایع برای اتلاف گرما از طریق همرفت، دارای پتانسیل عملکرد غیرفعال است که نیاز به مکانیزم پمپاژ را از بین می‌برد.

بنابراین، این فناوری کاربردهای گسترده‌ای فراتر از الکترونیک، از جمله در لیزرها، آشکارسازهای نوری، ال‌ای‌دی‌ها و سیستم‌های رادار و همچنین در صنایع خودروسازی و هوافضا دارد.

دانشمندان خاطرنشان کردند که با قوی‌تر شدن و فشرده‌تر شدن وسایل الکترونیکی با کارایی بالا، این تحقیق می‌تواند کارایی و پایداری دستگاه را به طور قابل‌توجهی افزایش دهد، در حالی که از طریق بهبود مدیریت حرارتی به هدف خنثی بودن کربن کمک می‌کند.

این مطالعه در مجله Cell Reports Physical Science منتشر شده است.