微型冷却用热管的纳米颗粒涂层设计

从便携式电脑到智能手机和可穿戴设备，体积的缩小和处理能力的增强是现代电子设备发展的驱动力。在所有这些应用中，设备的电子元件的有效冷却是至关重要的。通过开发基于纳米颗粒层的新颖设计方法，Tomio Okawa教授和Menglei Wang女士(电子通信大学)正在为热管铺平道路，与传统换热器相比，热管传热性能增强，尺寸减小。

在过去的几十年里，对个人电子设备的大量需求和使用导致人们越来越努力地开发体积越来越小、功率越来越大、速度更快的电子设备。这使得电子电路的冷却问题成为新器件设计中的一个关键问题。集成电路的寿命取决于它的工作温度，这就导致了一个设计难题:要么增加设备的尺寸以容纳额外的冷却元件，要么必须牺牲集成电路的寿命。此外，随着消费者对产品功能的需求越来越多，集成电路的数量会随着时间的推移而增加，进一步增加了对更有效散热的需求。

冷却的集成电路
对于大型消费品，如厨房电器和电话，市场可能会接受产品尺寸的适度增加，以换取额外的功能。在这种情况下，通过在气流中优化布置电子电路，或通过添加热扩散器将热量转移到外部包装，可以使冷却效果最大化。在个人设备中，例如高端笔记本电脑，配备强大的微处理器、图形处理器和先进的通信功能，需要采用更节省空间的冷却策略。为了保持体积和重量的小，笔记本电脑通常包含运行频率和性能较低的低功率电子元件。另一方面，使用高功率元件的高端产品的寿命会缩短，这是由于设备无法放大以获得足够的冷却而造成的。

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充分利用每一立方毫米的可用空间。自上世纪90年代末以来，热管已经从专门的工业传热元件发展成为高热流密度微电脑设计中不可或缺的消费品。热管为在有限的空间中实现最大限度冷却提供了一条方便的途径。它们实际上是微型电子设备中最有前途的传热装置之一。

热管作为一种传热装置，有效地驱动热与冷固体界面之间的热量。它利用了在冷却介质中导热和相变的原理。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的影响下，液体返回到热端，在那里它再次转化为蒸汽并重新开始冷却循环。热管是非常有效的热导体。根据它们的长度，它们的导热系数可以接近纯铜的250倍。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热管变得困难。

微型传热:纳米颗粒
大川教授与王孟蕾女士合作的工作一直聚焦于热管，这种热管利用毛细作用驱动冷却液体(如水)在冷凝后从管道的冷端扩散到热端。毛细作用是由管内的灯芯控制的，而传热性能在很大程度上取决于灯芯的结构和性能。

大量的实验工作已经投入，特别是使用水基氧化铝(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
纳米颗粒层很薄，因此可能是微型化应用的理想选择，而且它们表现出很强的毛细作用。此外，它们由容易获得的、廉价的和清洁的材料组成，这使它们适合于大规模生产的产品。基于之前在热管中沉积纳米颗粒的工作结果，大川教授提出了如何设计基于纳米颗粒的热管以最大限度地提高其传热能力的创新想法。

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
为了证明纳米颗粒预涂层对热管性能的重要性，大川教授研究了二氧化硅(SiO)的使用₂)水性nanofluid。在他的实验装置中，使用了一根热管，它由一个直径为8毫米、壁厚为0.5毫米、长度为100毫米的圆柱形铜容器组成。作为灯芯，使用黄铜丝网，金属丝直径85米，每米约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，其最小尺寸为20纳米。

纳米颗粒涂层是提高热管冷却性能和减小热管尺寸的有效手段。

由于单个纳米颗粒聚集在一起，流体中也观察到较大的纳米颗粒尺寸(120-800)。筛网的预涂是通过先将其加热到800度完成的^oC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，Okawa教授使用的实验热管显示出了47%的热阻下降，这是由于纳米粒子预涂层引起的灯芯的毛细性增强。因此，在灯芯上创建纳米颗粒层是一种有效且容易实现的改善热管传热性能的方法。更有趣的是，即使在没有灯芯的情况下，热管也能观察到极好的传热，前提是热管内壁预先涂有纳米颗粒层。实际上，如果有足够数量的纳米粒子沉积在管道内壁上，所产生的纳米粒子层就会起到非常薄而有效的芯的作用。

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。