随着社会发展对高性能电子和通信技术需求的不断增长，以及电子元器件尺寸的不断减小，导致电子元器件的功率密度持续上升。这对电子元器件的热管理策略提出了更高的要求。被动式热管理技术由于其零能耗、更高的紧凑性和更低的维护成本等特点而吸引了越来越多的兴趣。固-液相变材料（PCMs）是现有电子元器件被动式热管理策略中最常用的材料。尽管国内外学者在改进PCMs性能方面已经做出了广泛的努力，但低相变焓（通常低于200 J/gPCM）仍然是一个基本限制。水的液-汽相变（即解吸制冷）因其极高的相变焓（约2400 J/g）为被动式热管理提供了新的途径，其灵感来源于哺乳动物通过出汗调节其体温的自然过程。目前，该技术的利用主要基于水凝胶和MOFs材料。具体来说，吸湿性吸附剂（水凝胶或MOFs）提供高度多孔的结构，从而可以捕获大气中的水分。吸附剂中储存的水可以在电子设备的高峰时段蒸发，提取大量热量以防止设备过热（即解吸制冷）。在非高峰时段，吸湿性吸附剂可以自发地吸收周围大气中的水分以恢复其制冷能力（即自我再生）。然而，水凝胶（～10-12-10-11）和MOFs（～10-13-10-11）具有较低的质量扩散系数，导致其再生速率极慢。一般来说，基于水凝胶的被动式热管理策略需要依靠主动补充水来维持高的制冷能力，而MOFs的高成本（超过10000 USD/kg）限制了其大规模应用。相比之下，吸湿性无机盐，例如氯化锂和溴化锂，由于其极高的吸湿能力和低成本，有望解决这些问题。
近日，香港城市大学吴伟副教授与华科杨荣贵教授合作，基于吸湿性盐溶液中水分蒸发过程提出了一种被动式热管理技术来抑制电子元器件的温升。在本研究中，利用低成本吸湿盐溶液中的水分解吸过程来提取电子元器件工作中产生的热量，以防止电子元器件过热；重要的是，该被动式技术可以在电子元器件非工作时间段（或非高峰时段）自动恢复其制冷能力。实验证明，该技术可以提供约400分钟的有效冷却能力（ΔTmax = 11.5 °C），测试的热通量高达75 kW/m2。将该技术应用到实际计算设备中可使设备性能提升32.65%。对比现有的被动式热管理技术，该技术具有创纪录的高成本效益。值得注意的是，该技术具有高扩展性，可应用于其它需要间歇热调节的场合，例如：电池，LED，光伏和建筑领域（该团队正在开展相关研究）。研究成果以“Membrane-encapsulated, Moisture-desorptive Passive Cooling for High-performance, Ultralow-cost, and Long-duration Electronics Thermal Management”为题发表于Cell姊妹刊《Device》。香港城市大学博士研究生隋增光为本文第一作者，香港城市大学吴伟副教授和华中科技大学杨荣贵教授为本文通讯作者。
该技术的灵感来源哺乳动物排汗调节其体温这一自然现象，其工作原理及制作流程如图1所示。在解吸制冷过程中，水分从盐溶液中蒸发以带走电子元器件产生的热量，类似哺乳动物排汗降低其体温。在吸收再生过程中，温度较低的浓盐溶液自发地吸收周围大气中的水分，自主恢复其制冷能力，类似哺乳动物喝水补充体内水分。多孔膜可防止溶液泄漏和设备腐蚀，同时允许水蒸气通过，类似哺乳动物的皮肤。该装置主要包括铝制散热器、防腐涂层、盐溶液、多孔膜和支撑板，结构简单，造价低廉。
图1 HSMHS工作原理：(A) 解吸和吸收过程示意图；(B) HSMHS 制造工艺示意图；(C) HSMHS 原型；(D) 孔径为0.45 μm的PTFE膜的高倍SEM图像；(E) HSMHS热耗散过程示意图。
前期实验中，研究人员先移除了多孔膜，以便观察溶液的变化。PI加热膜被用来模拟芯片，多个热电偶被用来记录温度变化，高精度天平用于监测质量变化，整个装置被放置在恒温恒湿箱内测试。实验数据如图2所示，研究人员测量了不同溶液厚度和浓度对制冷性能的影响。
图2 典型环境条件（RH 60% 和 25°C）下解吸/吸收实验：(A) HSHS在恒温恒湿箱内实验示意图；(B) 不同溶液层厚度的HSHS温度和质量变化；(C) HSHS在不同溶液层厚度下的红外图像；(D) 不同热通量条件下的温度变化；(E) 最大瞬态制冷功率和温度比较；(F) 解吸过程中盐溶液引起的热阻。
同时，研究人员也测量了该装置的循环性能。如图3所示，这项工作详细讨论了重生时间对该设备制冷性能的影响。实验证明，该设备可为需要间歇性热调节的设备提供稳定和长持续的热管理。
图3 HSHS在典型环境条件（相对湿度 60% 和 25°C）下的循环实验：(A) 解吸时间与重生时间之间的关系；(B) 循环稳定性测试；(C) 每个循环内解吸和吸收过程中的质量变化；(D) 重生时间对制冷性能的影响。
基于以上实验研究，本项工作测试了膜对该装置制冷性能的影响，如图4所示。这项工作讨论了膜对该装置有效制冷时间的影响。同时，研究人员定义了一个成本效益指数用于比较现有的被动式热管理技术。结果表明，这项工作提出的热管理技术具有创纪录的高成本效益。
图4 HSMHS制冷性能测试：(A) 膜对测试装置质量变化的影响；(B) 膜对测试装置温度变化的影响；(C) 成本效益对比。
最后，这项工作还测试了该装置在高热通量条件下的热管理能力。实际测试结果表明，该设备适用的热通量高达75 kW/m2。为了测试该技术在实际场合中的性能，该装置被装配到ODROID-XU4单片机上。结果表明，该装置能显著降低芯片的温度（11°C）。得益于该装置优异的热管理能力，ODROID-XU4的性能可以被提高32.65%。
图5 所提出的热管理策略的实际应用：(A) 不同溶液厚度对重生时间的影响；(B) HSMNHS的循环实验；(C) HSMNHS和FHS在高热通量条件下的温度比较；(D) ODROID-XU4与HSMNHS 和原始散热器实物图；(E) 两种热管理策略下温度变化；(F) 两种热管理策略下设备的瞬态输入功率变化。
【结论】
这项工作利用低成本吸湿性盐溶液提出了一种新型的被动式热管理技术。该技术通过引入多孔 PTFE 膜和盐溶液实现了对电子元器件的高效热管理，且没有溶液泄漏和腐蚀风险。得益于吸湿盐的高吸湿特性，该装置表现出出色的自我再生能力。与现有的被动式热管理策略相比，所提出的热管理策略具有创纪录的高成本效益，表现出巨大的商业化潜力。此外，研究人员还开发了一个经过实验验证的CFD传热传质模型，为进一步优化该技术提供指导。这项工作所提出的热管理策略既具有经济性又具有高扩展性。该技术为需要间歇性热调节的设备提供了一种全新的热管理方法，可应用于电子元器件、电池、光伏板和建筑，几乎没有技术障碍。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998623001801
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
