用于小型化冷却的热管设计中的纳米粒子涂层

减少和增加的处理能力在现代电子设备的开发中驱动力，从便携式计算机到智能手机和可穿戴设备。在所有这些应用中，设备的电子元件的有效冷却至关重要。通过利用基于纳米粒子层的使用新的设计方法，Tomio Okawa和Menglei Wang教授和Ment-Communications大学）正在为热管铺平，与传统的热交换器相比，具有增强的传热性能和减少尺寸的热管。

在过去的几十年中，个人电子设备的质量需求导致了增加努力，以越来越减小的尺寸越来越大的电力。这使得冷却电子电路的问题是新颖设备设计中的一个关键问题。集成电路的寿命取决于其工作温度，这导致设计困境：任何一个都会增加装置的尺寸以适应额外的冷却部件，或者必须牺牲其集成电路的寿命。此外，随着消费者需求从产品的越来越多的功能，集成电路的数量往往会随着时间的推移而增加，进一步增加了对更有效的冷却的需求。

冷却集成电路
在大型消费产品中，如厨房用具和电话，市场可能接受适度的产品大小的增加，以换取其他功能。在这些情况下，通过在空气流内的电子电路或通过添加热涂布器以将热量传递到外部包装来最大化冷却。在个人设备中 - 例如，具有强大的微处理器，图形处理单元和高级通信功能的高端笔记本电脑 - 需要采用更节省空间的冷却策略。为了保持小尺寸和重量，笔记本电脑通常包含以较低频率和性能运行的低功耗电子元件。另一方面，使用高功率部件的高端产品遭受减少的寿命，这是由于缺乏设备扩大而足够的冷却来造成的折衷。

有效的冷却对于增加现代高端电子设备中的集成电路的寿命至关重要。

热管道
电子设备的最佳冷却技术必须利用每间立方毫米空间。热管 - 自20世纪90年代后期从专门的工业传热组件到高热通量微型计算机设计中的专业工业传热组件以来已经发展起来 - 提供便捷的途径，以最大限度地在限制空间中冷却。它们实际上是小型化电子设备最有前途的传热装置之一。

热管作为一个传热装置，它有效地在热和冷固体界面之间驱动热量。它利用了热导和相变在冷却介质的原理。在热管的热端，冷却液体与导热固体材料接触并转化为蒸汽。蒸汽在热管内迁移，到达冷界面，在那里冷凝回到液态。在重力、离心力或毛细管作用下，液体返回热端，在那里再次转化为蒸汽，重新开始冷却循环。热管是非常有效的热传导体。根据它们的长度，它们可以达到接近纯铜的250倍的导热系数。不幸的是，热管的性能随着其直径的减小或变平而降低，这使得在微电子设备中有效地使用它们变得困难。

小型化传热：纳米粒子
Hehawa教授的工作与Menglei Wang女士合作，一直专注于使用毛细管动作来驱动冷却液的扩散，如水，冷凝后管道的热端。毛细血管由管道内的芯片的存在控制，并且传热性能大大通过芯的结构和性质来确定。

特别是使用水性氧化铝（Al₂O._3.）或铜纳米流体作为冷却液体。纳米流体是纳米尺寸颗粒或纳米颗粒的胶体悬浮液，它们表现出特殊的性质，使它们可用于传热应用，特别是在微电子中。已经示出了使用纳米流体冷却剂来引起热管的传热性能的增强。这归因于在蒸发部分沉积纳米颗粒层。

纳米颗粒层涂料
纳米粒子层薄，因此可能是小型化应用的理想选择，它们表现出强烈的毛细血管性。此外，它们包括易于获得，便宜和清洁的材料，使其适用于大规模生产的产品。根据热管中纳米粒子沉积的先前工作的结果，Okawa教授提出了关于如何工程到基于纳米粒子的热管的创新思想，以便最大化其传热能力。

He has proposed that the deposition of a nanoparticle layer in the condensation section and in the so-called ‘adiabatic’ section of the pipe, in which the condensed liquid travels back to the hot end of the pipe, in addition to the evaporation section, can be used to guarantee an even more efficient heat transfer within the pipe, without compromising the heat pipe structure or increasing its diameter. Furthermore, he has devised an efficient procedure to pre-coat all sections of the heat pipe, which is then filled, in operating conditions, with a suitable nanofluid.

二氧化硅纳米粒子预涂层
为了证明纳米粒子预涂层对热管性能的重要性，冈安教授检测了二氧化硅的使用（SIO₂）基于水的纳米流体。在他的实验装置中，使用了一种热管，其由直径为8mm的圆柱形铜容器，壁厚为0.5mm，长度为100mm。作为芯，使用黄铜筛网网，线径为85米，每米长约4700股。纳米流体由悬浮在蒸馏水中的二氧化硅纳米颗粒组成，最小尺寸为20纳米。

纳米粒子涂层提供了一种有效的方法，以提高热管的冷却性能并降低其尺寸。

在流体中也观察到较大的纳米颗粒尺寸（120-800），由单个纳米颗粒的聚类引起。通过首先将其加热至800，完成筛网的预涂层^O.C然后反复将其浸入二氧化硅中，直到其全部表面被纳米颗粒层覆盖。铜管的内壁也通过浸入并在纳米流体中加热而预涂。厚度测量表明，纳米颗粒层与CA一样薄。9μm。

创新热管工程
在操作条件下，大川教授使用的实验热管的热阻降低了47%，这是由于纳米颗粒预涂层引起的芯芯毛细性增强。因此，在芯上形成纳米颗粒层是改善热管传热性能的一种有效而可行的方法。更有趣的是，如果热管内壁预先涂上纳米颗粒层，即使在没有灯芯的情况下，也能观察到很好的传热效果。实际上，如果有足够数量的纳米颗粒沉积在管道内壁上，产生的纳米颗粒层就起到了非常薄和高效的作用。

这种结果非常有希望，尽管需要进一步研究以解决纳米粒层涂层热管的耐久性以及在经历干燥后的传热性能可能劣化的问题。尽管如此，幼川教授的调查结果对微电子的微冷却系统的路径至关重要，他们将刺激旨在探索和利用基于纳米粒子基材料的非凡性质的进一步工作。