理化所發明金屬相變吸熱方法可消除移動電子設備發熱問題

2020-12-01 中國科學院

近期，中國科學院理化技術研究所低溫生物與醫學實驗室的科研人員首次將低熔點金屬及其合金作為相變材料引入到電子散熱領域，從而使手機等移動電子設備中日益嚴峻的發熱問題得以消除，也為各類瞬態高功率電力電子設備的靈巧冷卻開闢了一條全新途徑，相應工作發表於ASME Journal of Heat Transfer、Renewable and Sustainable Energy Reviews等刊物上。

長期以來，電子晶片的集成度始終朝著著名的摩爾定律預測的那樣隨時間呈指數增長，如今手機的CPU主頻已從過去的MHz提升至當前的GHz，對應功耗則從mW到十幾瓦。在手機如此狹小的空間裡，大量熱量很難及時排散到外部環境，這給用戶帶來了很大不適，比如，手機持續通話、遊戲一段時間後，其外殼會很快出現過熱乃至發燙的現象，嚴重者甚至會對人體皮膚造成低溫燙傷。無疑，出於對超小體積、低功耗、低噪音乃至高品質體驗的要求，常規的風扇、熱管和水冷散熱並不很適用。可以說，相較於體積大許多的筆記本電腦乃至臺式計算機，手機散熱更顯棘手，業已成為制約高端手機發展的瓶頸。

在此項題為Keeping smartphones cool with gallium phase change material（Ge and Liu, ASME Journal of Heat Transfer, 135: 054503, 2013）的研究中，科研人員藉助於金屬材料的蓄冷及固液相變吸熱機理，將手機在高負荷運行中產生的熱量迅速吸收掉，手機溫度得以保持在30°C附近10餘分鐘，由此確保了無發熱情況下的通話；一旦當手機處於待機狀態，熔化成液態的相變材料則可通過向環境釋放熱量而發生凝固，從而為下一次吸熱作好準備。整個過程僅由嵌於機殼內的金屬吸熱薄片承擔，無需額外裝置和能源，因而手機體積並不會因此明顯增大，且全程無噪音。

研究中，科研人員還發現了十分有趣的現象。金屬材料因吸熱而變成液態後，必須及時將熱量釋放到空氣中並重新返回到固態，才能滿足後續的吸熱需要。然而，由於過冷度的存在，液態金屬材料在其溫度低於熔點時並不立即發生凝固。研究小組引入了成核劑，還嘗試對液態金屬輔以震蕩和敲擊作用，結果證實兩種途徑均可顯著降低材料的過冷度（從30°C降至2°C）。在手機類消費電子設備的使用過程中，晃動和敲擊是時有發生的現象，由此易於確保相變吸熱功能的持續高效發揮。這種因機械力作用而誘發的相變效應，也是熱科學領域饒有興味的新穎問題。

進一步地，研究小組還將上述方法擴展用於冷卻高速數據傳輸中的U盤、快閃記憶體及固態硬碟等(H. Ge, J. Liu, Phase change effect of low melting point metal for an automatic cooling of USB flash memory, Frontiers in Energy, 6: 207–209, 2012)。實驗證實，設置有金屬相變材料的U盤在運行中由原來的42°C降到了28°C並能維持1刻鐘以上，顯然，較低的工作溫度一方面保障了數據傳輸的可靠性，也延長了U盤的使用壽命。事實上，對於更大功率如數十瓦的瞬態發熱設備，研究還表明，金屬相變冷卻技術的優勢更加明顯，系統熱響應時間可呈數量級縮短，而散熱裝置體積則減小數倍，且加工工藝得以大為簡化。此外，理化所的工作也揭示出，低熔點金屬相變吸熱方法還易於與風冷、熱管或水冷方法相結合，由此提升電子設備的抗熱衝擊性能，這在許多計算機超頻應用中有獨特價值。除電子設備外，低熔點金屬相變熱管理方法在更多光電器件，以及太陽能、風能、潮汐能等間歇式能源的高效儲存，乃至建築保溫節能、人體熱舒適、特殊功率電力電子設備領域，也有得天獨厚的優勢。理化所已圍繞有關應用形成了技術專利。

總的說來，藉助如冰蓄冷一般的金屬相變材料的交替性蓄冷-熔化過程，可以達到靈巧的冷卻目的，這種無需額外設置專用冷卻系統的熱管理方式，特別適合於手機等移動電子設備。以往，儘管學術界也曾嘗試採用相變方法來冷卻手機，但因受限於既定材料的物性而制約了實際應用。比如，傳統有機類相變材料如石蠟、烷烴、醇類以及脂肪酸等雖然性能穩定、過冷度小、成本低，但熱導率小、熱響應慢，相變時體積變化率較大從而會使系統體積顯著增加；而無機類相變材料如結晶水和鹽、熔融鹽等，雖價格便宜，儲熱密度大，但過冷度高，熔化之後會因無機鹽與結晶水之間的密度差而造成相分離，同時還會因結晶水蒸發引起再凝固繼而產生低水化合物，最終使得相變材料的長期工作穩定性變差。高熔點金屬作為相變材料雖有提出，但因在常溫下無相變行為，無法用於電子設備熱管理。綜合而言，常溫附近即可熔化的金屬及其合金材料則體現出諸多誘人的優勢：1.熱導率高，是傳統相變材料的數十甚至上百倍，這有利於吸熱系統的快速響應，同時也減小了熱源與環境之間的熱阻；2.金屬材料穩定性好，在相變過程中不會出現相分離、相分層現象，經無數次熔化凝固之後依然表現出完好的相變特性；3.低熔點金屬密度大、單位體積相變潛熱高，且相變過程中體積變化率小，遠低於傳統材料，這有利於實現高度緊湊的熱管理系統。

考慮到低熔點金屬相變熱管理方法有著廣泛而重要的應用前景，為推動這一新興方向的形成與發展，理化所科研小組於近期發表了一篇全面綜合的長篇評述文章(H. Ge, H. Li, S. Mei, J. Liu, Low melting point liquid metal as a new class of phase change material: An emerging frontier in energy area, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21: 331–346, 2013)，系統闡述了新方法的應用特點和基本原理，並具體提出了一系列新的發展方向和實現策略，旨在促成相應技術的研究和應用。

論文連結：1  2  3

典型相變冷卻器受熱溫升曲線(金屬相變效應可維持設備在30°C附近10餘分鐘)

U盤數據傳輸過程中採用金屬相變機理冷卻後的效果(對應曲線B)

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