محققان ژاپنی سیستم خنک‌سازی تراشه با آب جوش و کارکرد ۷ برابر برتر ساختند

محققان ژاپنی با ترکیب طراحی می‌کروکانال‌ها و ساختار‌های مویرگی، رکوردی تازه در کارکرد سیستم‌های خنک‌سازی ثبت کردند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر پیشرفت در فناوری‌های الک‌ترونیکی و پایدار را هموار سازد. در این روش برای خنک‌سازی از آب جوش بهره‌گیری می‌شود تا حرارت بیش‌تری جذب گردد.

قانون مور سال‌ها است مسیر پیشرفت در دنیای الک‌ترونیک را هموار کرده و باعث شده تراشه‌ها مداوم کوچک‌تر و پرقدرت‌تر شوند، اما این روال به افزایش چگالی حرارتی و تشکیل گرمای زیاد‌تر در فضای کمتر منجر شده است؛ مشکلی که راه‌حل‌های جاری خنک‌سازی به‌سختی از بعد آن برمی‌آیند. پژوهشگران مؤسسه علوم صنعتی دانشگاه توکیو، با معرفی روش نوین خنک‌سازی برای ریز‌تراشه‌ها، قدم مهمی در از بین بردن این چالش برداشته‌اند.

یکی از مؤثر‌ترین راه‌حل‌های جاری برای دفع حرارت، بهره‌گیری از می‌کروکانال‌هایی است که درون تراشه تعبیه شده و امکان گردش آب و انتقال حرارت را فراهم می‌کنند، اما این روش تنها به حرارت محسوس آب متکی است؛ یعنی انرژی که پیش از تحول فاز آب برای افزایش دمای آن ملزوم است. در مقابل، گرمای نهان که زمان جوشیدن یا تبخیر آب جذب و آزاد می‌شود، حدودا ۷ برابر بیش‌تر است و پتانسیل بالا‌تری برای خنک‌سازی تشکیل می‌دهد.

بر همین مبنا، پژوهشگران با بهره‌گیری از گرمای نهان آب، به بهره‌گیری از سیستم خنک‌کننده دوفاز روی آوردند؛ رویکردی که به گفته آن‌ها، بهره‌وری سیستم را به‌شکل چشم‌گیری افزایش می‌دهد. بی‌شک تحقیقات قبل نشان داده بودند مدیریت جریان بخار بعد از جوشیدن، چالش‌های خاص خودش را دارد؛ به این علت برای بهینه‌سازی انتقال حرارت، عواملی همانند طراحی می‌کروکانال‌ها، کنترل جریان دوفاز و مقاومت هیدرولیکی باید به‌دقت تنظیم شوند.

در این پروژه، سیستم خنک‌سازی جدیدی معرفی شده که شامل ترکیبی از کانال‌های ریز سه‌بعدی، ساختار‌های مویرگی و لایه‌ای برای توزیع متوازن سیال می‌باشد. محققان با طراحی و آزمایش انواع هندسه‌های مویرگی، کارکرد آن‌ها را در شرایط گوناگون بررسی کرده‌اند.

نتایج مشخص می‌کند هم هندسه می‌کروکانال‌ها (که جهت جریان خنک‌کننده را تعیین می‌کند) هم کانال‌های منشعب (که ماموریت توزیع خنک‌کننده را بر عهده دارند)، نقش مهمی در کارکرد حرارتی و هیدرولیکی سیستم دارند.

به گفته تیم تحقیقاتی، ضریب کارکرد (COP) این سیستم که نسبت سرمایش سودمند به انرژی مصرف‌شده را مشخص می‌کند، به عدد قابل‌توجه ۱۰۵ رسیده که نسبت‌ به راه‌حل‌های رایج خنک‌سازی پیشرفت چشمگیری محسوب می‌شود. آن‌ها معتقدند این طراحی می‌تواند مسیر تازه‌ای برای مدیریت حرارتی در دستگاه‌های الک‌ترونیکی پرقدرت باز کند که موضوعی حیاتی برای گسترش فناوری‌های نسل بعدی است.

یکی از مزیت‌های دلنشین این فناوری آن است که می‌تواند به‌صورت غیر‌فعال نیز عمل کند؛ یعنی با تکیه بر تحول فاز مایع که از طریق هم‌رفت برای دفع حرارت انجام می‌شود، گرما را بدون نیاز به پمپ منتقل نماید. این چنین قابلیتی این فناوری را برای حوزه‌هایی فرا‌تر از الک‌ترونیک، ازجمله لیزر‌ها، آشکارساز‌های نوری، دیود‌های نوری (LED)، سامانه‌های راداری و صنعت ماشین و هوافضا به گزینه‌ای مناسب تبدیل می‌کند.

با افزایش توان و فشردگی قطعات الک‌ترونیکی، پژوهشگران بر این باورند که راهکار پیشن‌هادی آن‌ها می‌تواند بهره‌وری و پایداری این تجهیزات را به‌طور چشم‌گیری بهبود بخشد و از طریق مدیریت بهتر گرما، به تحقق اهداف کاهش کربن نیز پشتیبانی کند.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در انتشار یافته است.