01 Tóm tắt
Công nghệ truyền nhiệt thay đổi pha được thể hiện bằng ống dẫn nhiệt và VC (Buồng hơi) có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với vật liệu truyền thống và là công nghệ then chốt để giải quyết nhu cầu tản nhiệt ngày càng tăng của sản phẩm.
Trong những năm gần đây, bộ tản nhiệt bằng nhôm VC đã trở thành một trong những điểm nóng nghiên cứu trong ngành. Việc nghiên cứu và ứng dụng tản nhiệt bằng nhôm VC phù hợp với xu hướng phát triển của các sản phẩm truyền thông hiệu suất cao, nhẹ và chi phí thấp trong tản nhiệt và có ý nghĩa rất lớn. Vì vậy, Tập đoàn Shengjiu và ZTE Communications đã tiến hành nghiên cứu đột phá về tất cả các bộ tản nhiệt bằng nhôm VC.
02 Sự tiến bộ của công nghệ tản nhiệt
Tản nhiệt là một mắt xích quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy lâu dài của các thiết bị và sản phẩm điện tử. Là lĩnh vực ứng dụng chuyên sâu nhất các thiết bị tiêu thụ nhiệt như chip, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã thúc đẩy tản nhiệt hay thiết kế nhiệt trở thành một ngành có tính hệ thống. Nghiên cứu và phát triển trong các lĩnh vực như điện, an ninh, điện tử tiêu dùng, ô tô và đèn LED cũng ngày càng tập trung vào hiệu suất tản nhiệt của sản phẩm, nhằm có thêm lợi thế trong khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Hiện nay, các sản phẩm thông tin và truyền thông 5G đang phát triển hướng tới mục tiêu dung lượng lớn hơn, hiệu suất cao hơn, tiết kiệm năng lượng và độ ồn thấp. Mức độ tích hợp thiết bị ngày càng tăng và các chức năng của chip đơn ngày càng trở nên mạnh mẽ hơn, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng tăng đáng kể. Tuy nhiên, cách bố trí ngày càng trở nên nhỏ gọn hơn và mật độ dòng nhiệt tăng theo cấp số nhân. Công nghệ làm mát đang đối mặt với những thách thức nghiêm trọng.
Các hệ thống tản nhiệt truyền thống chủ yếu dựa vào vật liệu một pha để dẫn nhiệt từ thiết bị đến bề mặt tản nhiệt, sau đó nhiệt được tiêu tán ra môi trường bằng không khí thông qua đối lưu tự nhiên (hệ thống tản nhiệt tự nhiên) hoặc đối lưu cưỡng bức (không khí cưỡng bức). Hệ thống làm mát). Hiệu suất dẫn nhiệt phụ thuộc nhưng cũng bị hạn chế bởi tính dẫn nhiệt vốn có của vật liệu.
Công nghệ truyền nhiệt thay đổi pha được thể hiện bằng ống dẫn nhiệt và VC (Buồng hơi) sử dụng môi trường để đun sôi ở vùng nhiệt độ cao (vùng nguồn nhiệt) và ngưng tụ ở vùng nhiệt độ thấp, đồng thời hấp thụ hoặc giải phóng nhiệt ẩn tương ứng của thay đổi pha, tuần hoàn xen kẽ và đạt được sự khuếch tán hoặc di chuyển nhiệt nhanh chóng. Hấp thụ và giải phóng ẩn nhiệt là một quá trình nhanh chóng và hiệu quả, khi sử dụng truyền nhiệt hai pha, chất lỏng làm việc có nhiệt ẩn cao hơn thường được chọn, dẫn đến hiệu suất truyền nhiệt cực cao. Độ dẫn nhiệt tương đương có thể đạt 4000 W/m · K trở lên, vượt xa các vật liệu kim loại nguyên chất như vàng, bạc, đồng và nhôm (200-400 W/m · K), đồng thời có thể hỗ trợ mức tiêu thụ điện năng và dòng nhiệt cao hơn nhu cầu truyền nhiệt mật độ mà tản nhiệt truyền thống không thể đáp ứng được. Đồng thời, nó có thể kết hợp với nhiều dạng nguồn lạnh khác nhau (đối lưu tự nhiên, làm mát không khí cưỡng bức, làm mát bằng chất lỏng, bức xạ, v.v.), và các hình thức ứng dụng của nó rất linh hoạt và đa dạng.
Hình 1 Nguyên lý truyền nhiệt thay đổi pha
Hiện nay, các bộ phận tản nhiệt hai pha đã phát triển từ các ống dẫn nhiệt được đề xuất và sử dụng rộng rãi sớm nhất đến nhiều dạng khác nhau như tấm ngâm VC, tản nhiệt 3DVC, ống hút nhiệt Thermosyphon, ống hút nhiệt vòng LTS, ống dẫn nhiệt vòng LHP, v.v. Vật liệu vỏ cũng đã mở rộng từ vật liệu đồng truyền thống sang nhôm, titan, thép không gỉ, v.v., để đáp ứng yêu cầu của các tình huống ứng dụng khác nhau.
Hình 2 Hình thái của các bộ phận tản nhiệt hai pha khác nhau
03 Phát triển công nghệ tản nhiệt nhôm VC
Tấm ngâm VC hiện là sản phẩm truyền nhiệt thay đổi pha trưởng thành nhất về mặt công nghệ bên cạnh ống dẫn nhiệt và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp truyền thông và điện tử. VC điển hình là dạng đóng phẳng, bao gồm vỏ, cấu trúc mao quản, cấu trúc hỗ trợ và chất lỏng làm việc. Sự dẫn nhiệt hiệu quả đạt được thông qua sự bay hơi, ngưng tụ và vận chuyển mao dẫn của chất lỏng làm việc, khuếch tán nhiệt từ khu vực tập trung đến toàn bộ mặt phẳng kết cấu. Nhờ ưu điểm về đặc tính mao dẫn diện tích lớn và khả năng khuếch tán nhiệt hai chiều hoặc thậm chí ba chiều, VC có khả năng mang mật độ dòng nhiệt cao hơn. Đặc biệt đối với các thiết bị điện tử có mật độ thông lượng nhiệt vượt quá 50W/cm2, hiệu ứng nhiệt độ đồng đều tốt hơn đáng kể so với chất nền làm mát bằng kim loại nguyên chất hoặc ống dẫn nhiệt nhúng, có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của tản nhiệt.
Hình 3 Nguyên lý cấu tạo của tấm ngâm VC
Vỏ của VC thường được làm bằng vật liệu kim loại, bao gồm đồng, titan, nhôm, thép không gỉ, v.v. Do tính dẫn nhiệt tốt, tính chất gia công cơ học và hàn của vật liệu đồng nên quá trình tạo hình tương đối đơn giản và độ chính xác cao. . Hiện nay, phần lớn VC được chế tạo bằng cách dập các tấm đồng mỏng. Trong lĩnh vực quân sự hoặc hàng không vũ trụ, để đạt được trọng lượng nhẹ, nhôm thường được sử dụng làm vật liệu vỏ cho VC. Trong những năm gần đây, để đáp ứng nhu cầu giảm chi phí và giảm trọng lượng của thị trường, việc thăm dò bộ tản nhiệt bằng nhôm VC đã dần được thực hiện trong lĩnh vực tản nhiệt dân dụng. Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc thiết kế kết cấu lõi hút, công nghệ hàn và chất lỏng làm việc bên trong.
(1)Nghiên cứu cấu trúc hấp thụ chất lỏng nhôm VC
VC chủ yếu dựa vào cấu trúc lõi hút bên trong để cung cấp năng lượng cho quá trình trào ngược nước ngưng, điều này sẽ ảnh hưởng đến dòng nhiệt tới hạn và hiệu suất nhiệt của VC. Hiện nay, cấu trúc lõi hấp thụ chất lỏng phổ biến của nhôm VC trong ngành chủ yếu được chia thành hai loại: loại rãnh vi mô và loại nhiều lỗ.
①Loại rãnh vi mô
Lõi hút chất lỏng rãnh vi mô được chế tạo bằng cách gia công các rãnh nhỏ trên thành trong của VC và tận dụng sức căng của giao diện rãnh để hồi lưu môi trường làm việc chất lỏng và đạt được chức năng của lõi hút chất lỏng. Với sự phát triển của công nghệ chuẩn bị lõi hút vi rãnh, các học giả đã chuẩn bị nhiều hình dạng khác nhau của rãnh vi mô và các cấu trúc rãnh vi mô phổ biến được thể hiện trong Hình 4.
Hình 4 Cấu trúc microgroove phổ biến
Chen và cộng sự. đã tiến hành một nghiên cứu về nhôm VC lõi xuyên tâm và so sánh nó với nhôm bột nhôm thiêu kết VC. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất chịu nhiệt của nhôm bột nhôm thiêu kết VC ổn định hơn so với nhôm lõi rãnh xuyên tâm VC.
Hình 5 Bộ tản nhiệt VC lõi nhôm có rãnh xuyên tâm
Để giải quyết vấn đề truyền nhiệt hạn chế do giới hạn mao dẫn nhỏ của lõi hút rãnh vi mô, nhiều cấu trúc mới đã được phát triển trên cơ sở các rãnh vi mô thông thường. Li và cộng sự. chia đĩa thành một loạt các vùng hình quạt giống hệt nhau và phát triển cấu trúc rãnh vi mô với các nhánh dựa trên cấu trúc gân lá. So với các rãnh vi mô thông thường, cấu trúc này có độ đồng đều nhiệt độ tổng thể tốt hơn trong VC.
Hình 6: Cấu trúc rãnh vi mô dạng vân
Zeng và cộng sự. đã xử lý các rãnh có tỷ lệ khung hình cao trên tấm nhôm bằng quy trình ép đùn dạng cày. Đồng thời, thông qua việc cắt hai chiều theo cả chiều ngang và chiều dọc, cấu trúc khoang mảng được gia công trên nền rãnh, giúp tăng cường hơn nữa lực mao dẫn của lõi hút.
Hình 7: Máy cày cắt rãnh ép đùn bề mặt nhôm VC
②Loại xốp
Lõi hút bột thiêu kết có ưu điểm là trọng lượng nhẹ, lực mao dẫn lớn, diện tích bề mặt riêng lớn, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn, được sử dụng rộng rãi trong đồng VC. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này trên bột nhôm tương đối khó khăn: vật liệu nhôm dễ hình thành màng oxit trên bề mặt do tính chất hoạt tính của chúng, đồng thời nhiệt độ nóng chảy của alumina quá cao (khoảng 2000oC) nên khó sản xuất. thiêu kết. Do đó, nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành trong giới học thuật và công nghiệp về việc xử lý các cấu trúc xốp bằng nhôm.
Zhang và cộng sự. đạt được quá trình thiêu kết bột nhôm thông qua quá trình thiêu kết tăng cường pha lỏng. Thêm 4,5% khối lượng bột đồng vào bột nhôm và nung kết trong 60 phút dưới sự bảo vệ của argon 99,99% ở 600oC. Bột đồng tạo thành cổ thiêu kết giữa bột nhôm, từ đó hình thành lõi hấp thụ chất lỏng xốp.
Hình 8 Kính hiển vi điện tử của cổ thiêu kết bột nhôm (Phần khối lượng bột đồng 3,5% trọng lượng)
Ameli M và cộng sự. sản xuất cấu trúc xốp bằng nhôm bằng công nghệ Nóng chảy Laser Chọn lọc (SLM). Quá trình xử lý được thực hiện dưới áp suất argon bình thường là 14mbar và hàm lượng oxy trong phòng xử lý được duy trì trong khoảng 0,1% đến 0,2%. Quá trình thiêu kết bằng laser được thực hiện từng lớp trên nền nhôm và sản phẩm thiêu kết cuối cùng được thể hiện trong Hình 9.
Hình 9 Mẫu cấu trúc xốp bằng nhôm thiêu kết công nghệ SLM
Zhang và cộng sự. đã phát triển cấu trúc mao dẫn thiêu kết bằng sợi nhôm. So với bột nhôm, sợi nhôm tạo thành một số lượng lớn các vệt ở các cạnh khi chảy ra khỏi dụng cụ, có thể cải thiện diện tích bề mặt cụ thể và lực liên kết trong quá trình thiêu kết.
Hình 10 Quy trình gia công sợi nhôm và thiêu kết thành phẩm
Tóm lại, do tính chất hoạt động của vật liệu nhôm và xu hướng hình thành màng oxit nên cách tiếp cận đầu tiên để xử lý lõi mao quản chất lượng cao là tránh các quá trình thiêu kết và sử dụng các phương tiện cơ học để xử lý mao quản; Cách tiếp cận thứ hai là giảm bớt khó khăn trong quá trình thiêu kết bằng cách bảo vệ bầu không khí và tăng điểm hình thành của cổ thiêu kết (bằng cách thêm các kim loại khác hoặc tăng điểm tiếp xúc). Tuy nhiên, nhìn chung, các phương pháp xử lý này khó thực hiện, không hiệu quả và tốn kém trong công nghiệp.
Để đáp ứng điều này, Công ty TNHH Công nghệ Ninh Ba Shengjiu đã phát triển một loại lõi hút chất lỏng dựa trên nhôm mới. Lõi hút chất lỏng được làm bằng các tấm nhôm siêu mỏng có rãnh được uốn cong và ép nhiều lần. Sau khi xử lý, nó được cố định trên đế bằng cách hàn. So với các phương pháp khác, lõi hút bằng nhôm này có khả năng xử lý đơn giản, chi phí thấp và triển vọng ứng dụng tốt.
(2)Nghiên cứu quy trình hàn nhôm VC
Hiện nay, nhôm VC thường được xử lý bằng công nghệ hàn để hoàn thiện sự kết hợp giữa tấm phủ trên và tấm phủ dưới. Tuy nhiên, công nghệ hàn đồng có nhược điểm như độ bền mối hàn thấp, dễ tắc nghẽn mao mạch, dễ ăn mòn. Do đó, nghiên cứu về quá trình kết nối của tấm phủ trên và dưới bằng nhôm VC cũng đã bắt đầu trong ngành.
Chen Xu và những người khác đã nghiên cứu quá trình liên kết khuếch tán của các tấm nhiệt độ đồng nhất bằng nhôm. Các mẫu được đặt trong lò hàn khuếch tán chân không có độ chân không không nhỏ hơn 5 × 10-3Pa và các thông số quy trình tối ưu được khám phá bằng cách tải các nhiệt độ, áp suất và thời gian hàn khác nhau. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thông số quy trình ở nhiệt độ 550oC, 3MPa và 2 giờ cách nhiệt có thể tối ưu hóa chất lượng mối hàn của các tấm nhôm đồng nhất nhiệt độ.
Hình 11 Sơ đồ cụm hàn nhôm VC và hình ảnh vật lý trước và sau khi hàn
Tuy nhiên, quy trình hàn khuếch tán nhôm đòi hỏi quá nhiều độ chân không từ lò chân không và lò hàn khuếch tán chân không thông thường không thể đáp ứng yêu cầu, điều này hạn chế ứng dụng quy mô lớn của quy trình này trên bộ tản nhiệt nhôm VC. Việc tối ưu hóa quy trình hàn tấm phủ trên và dưới của nhôm VC vẫn đòi hỏi sự nỗ lực chung trong ngành.
(3)Nghiên cứu môi trường gia công bên trong của nhôm VC
Việc lựa chọn chất lỏng làm việc cho tấm nhiệt độ đồng nhất đòi hỏi phải xem xét các yếu tố như khả năng tương thích với lõi hấp thụ và vật liệu nền, độ ổn định nhiệt, độ ẩm, nhiệt ẩn cao, độ dẫn nhiệt cao và sức căng bề mặt cao. Một cách nhanh chóng để đo hiệu suất của chất lỏng làm việc là so sánh Chỉ số Thành tích của chúng. Có nhiều định nghĩa khác nhau về yếu tố chất lượng, nhưng hình thức cơ bản là tích hợp các thông số vật lý nhiệt khác nhau vào một thông số chỉ thị. Một định nghĩa tương đối đơn giản là:
Sau khi tính toán, so sánh, các hệ số chất lượng của chất lỏng công tác hữu cơ đáp ứng yêu cầu về khoảng nhiệt độ và bảo vệ môi trường không có sự khác biệt đáng kể. Hiện nay, việc lựa chọn chất lỏng làm việc cho bộ tản nhiệt hai pha bằng nhôm phần lớn được xem xét từ góc độ áp suất hơi bão hòa của chất lỏng làm việc. Không giống như VC đồng truyền thống, VC nhôm chứa đầy chất lỏng hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp hơn và có áp suất dương bên trong. Khi bộ tản nhiệt hoạt động, nhiệt độ tăng lên và áp suất bên trong tăng lên, đặt ra thách thức lớn hơn đối với khả năng chịu áp lực của nhôm VC. Hiện nay, chất làm lạnh được sử dụng phổ biến cho nhôm VC là R134A (chất làm lạnh áp suất cao) và R1233Zd (chất làm lạnh áp suất thấp).
Không giống như VC đồng đã trưởng thành, VC nhôm vẫn đang ở giai đoạn đầu trong lĩnh vực dân sự và cần được thăm dò thêm trong ngành.
04 Tóm tắt và triển vọng
Tản nhiệt bằng nhôm VC đã trở thành một trong những điểm nóng nghiên cứu trong ngành làm mát nhờ ưu điểm chi phí thấp, trọng lượng thấp và hiệu suất truyền nhiệt cao. Hiện nay, lĩnh vực nhôm VC vẫn còn nhiều khó khăn, thách thức:
①Việc xử lý lõi hấp thụ chất lỏng dựa trên nhôm chất lượng cao tương đối khó khăn và cần phải nghiên cứu thêm các phương pháp xử lý cấu trúc mao dẫn dựa trên nhôm chi phí thấp và hiệu quả cao;
②Quy trình hàn thường được sử dụng cho bộ tản nhiệt bằng nhôm VC hiện nay có các khuyết điểm như độ bền hàn thấp, dễ tắc nghẽn mao mạch và ăn mòn. Cần nghiên cứu sâu hơn để nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn khuếch tán trong bộ tản nhiệt nhôm VC;
③Chất lỏng làm việc hữu cơ thường được sử dụng trong bộ tản nhiệt nhôm VC có sự khác biệt đáng kể về sức căng bề mặt và nhiệt ẩn bay hơi so với nước, và cần phải thăm dò thêm đối với chất lỏng làm việc có hệ số chất lượng cao hơn;
④Áp suất bên trong của nhôm VC là dương, khác với áp suất bên trong của ống dẫn nhiệt bằng đồng và VC (áp suất âm). Các tiêu chuẩn kiểm tra độ tin cậy của tản nhiệt đặc biệt truyền thống không được áp dụng cho nhôm VC và hiện tại trong ngành vẫn thiếu các tiêu chuẩn kiểm tra độ tin cậy liên quan. Cần phối hợp với nhiều bên để hoàn thiện các hạng mục kiểm tra độ tin cậy của tản nhiệt nhôm VC;
Là một ngôi sao đang lên trong lĩnh vực tản nhiệt, Công ty TNHH Công nghệ Ninh Ba Shengjiu đã đầu tư rất nhiều vào việc thiết kế và phát triển bộ tản nhiệt hai pha bằng nhôm trong một thời gian dài, cam kết cung cấp cho khách hàng chất lượng cao và chi phí cao hơn - Lựa chọn thương hiệu quốc gia hiệu quả Trong tương lai, Công ty TNHH Công nghệ Ninh Ba Shengjiu cũng sẽ hợp tác chặt chẽ với nhóm thiết kế nhiệt của ZTE để tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về nghiên cứu kỹ thuật và ứng dụng thực tế của tản nhiệt nhôm VC, biến chúng trở thành một điểm mạnh trong công nghệ tản nhiệt và góp phần tạo thêm sức mạnh cho sự phát triển của truyền thông 5G.
05 Phần kết
Tản nhiệt nhôm VC, là một trong những điểm nóng nghiên cứu trong ngành, nghiên cứu và ứng dụng của nó phù hợp với xu hướng phát triển của các sản phẩm truyền thông về tản nhiệt và có ý nghĩa rất quan trọng. Đối mặt với những khó khăn và thách thức hiện tại của nhôm VC, Shengjiu sẽ tiếp tục khám phá lĩnh vực tản nhiệt, tăng cường nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật tản nhiệt nhôm VC, đồng thời đóng góp sức mạnh của mình cho sự phát triển của ngành truyền thông.
