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中國團隊開發新型冷卻方案,登上世界著名能源期刊

鈦媒體 01-24

鈦媒體快訊 | 1 月 24 日消息,近日,上海交通大學的王如竹教授和他的團隊,首次提出了一種基于環境水蒸氣吸附 - 解吸的熱管理解決方案,其中包括新型涂層材料,以及針對電子產品散熱的全新技術等。新的熱管理解決方案或將大大提升電子產品的性能和可靠性。據悉,該項研究成果在本周登上了世界 Cell Press 細胞出版社旗下著名能源期刊 Joule (《焦耳》)上。

這一研究或將改變如今電子產品的散熱模式。未來,這一解決方案,有望應用在鋰電池快充、5G 通訊、光伏發電等領域,為芯片產業帶來更多的發展空間。

手機運行 15 分鐘,溫度就能冷卻 7 度

隨著互聯網的不斷發展,大眾對于電子產品的性能要求不斷提升,強勁的芯片成為市場所需。但在性能之外,散熱也一直是困擾行業的問題之一。

電子產品在長時間高負荷使用下會產生嚴重的發熱問題,根據魯大師 2019 年 Q3 數據報告顯示,手機在性能滿載時的溫度會達到 43 度以上,遠遠超過人體所能接受的 37 度日常體溫。電腦等這類大一些的電子設備可以使用風扇散熱,但手機、平板電腦等小一些產品,僅依靠石墨和硬脂酸等隔熱材料,無法讓芯片熱量迅速傳出去,其芯片的有效散熱成了大問題。

本篇論文的通信作者、上海交通大學教授王如竹在接受鈦媒體采訪時表示,手機在高負荷的情況下工作一段時間,表面的溫度會上升。不僅影響用戶體驗,也會對器件帶來風險,而新的熱管理方案,將讓手機等電子產品迅速冷卻。

他強調,這是一種 " 特殊的強化冷卻方法 ",與現在使用的相變材料 (PCMs)溫度管理方案并不相同,該項研究能為通訊產品,終端產品,電動汽車等的熱管理提供新的解決方案。

受到哺乳動物利用出汗來調節體溫這一生理現象的啟發,王如竹及其團隊提出了一種利用多孔材料解吸過程強化設備散熱的新方法,解決電子產品有效散熱問題。此類材料能夠吸附并儲存空氣中的水分,并在受熱時釋放水蒸氣,帶走熱量。這個受熱解吸溫度可以設計在 40-60 度之間,解吸熱與水的蒸發潛熱相當,保證安全有效。

材料方面,王如竹在論文中提到,金屬有機骨架化合物(MOFs)發展迅速,是最有潛力的水蒸氣吸附材料之一,但由于 MOFs 材料的成本原因,其采取了一種折中方案,用 MIL-101 ( Cr ) 替代,對于成本進行控制,以達到效果上的最大化。

王如竹教授對鈦媒體表示,他們曾經試圖用 MOFs 在沙漠里空氣取水,但是這個材料價格昂貴,現實中并不適合這樣大規模的運用。他們經過長時間研究,發現 MIL-101 ( Cr ) 是 MOFs 材料的一種,其在常見環境條件下具有很強的吸水能力,并且能夠隨著溫度的上升迅速解吸出大量水分,他們最終選擇 MIL-101 ( Cr ) 涂層材料進行散熱實驗。

MIL-101 ( Cr ) 涂層材料

研究人員發現,MIL-101 ( Cr ) 涂層可以有效地延緩鋁片溫度的上升,涂層越厚,抑制升溫的效果也越好。在一塊安卓系統開發板的翅片散熱器上,涂覆了該材料。與沒有涂層的常規散熱器相比,新的涂覆散熱器能夠在高負荷運行 15 分鐘后,芯片殼溫要低 7 ℃。這一實驗證明,與傳統固液 PCM 材料相比,該方案具有更優越的冷卻表現,能夠顯著延長控溫的作用時長。

據悉,接下來該研究團隊希望能進一步優化吸附劑涂層對設備穩態散熱能力的影響,他們會綜合各類 MOF、COF、ZIF 等材料,形成一套性價比高的熱管理解決方案。遵循性能,價格,體積,穩定性等幾個要素做綜合選擇,拓展至各類吸附劑材料,應用于更加廣泛的應用場景,例如鋰電池快充、5G 通訊、光伏發電等具有典型周期性散熱需求的場合。

王如竹教授告訴鈦媒體, " 我們希望能給 MOFs 找到適合的應用點,這樣就可以能夠推動市場,同時加速材料學對于這個新型材料的研究。"

根據鈦媒體的了解,目前在新的熱管理方案下,批量化的 MOF 材料大概是 100 元 / 克,MIL-101 ( Cr ) 材料成本大概在 20-30 元,而石蠟價格大概是 30 — 100 元每公斤,但是需要封裝,需要強化導熱材料結構。整體來看,MIL-101 ( Cr ) 材料是在性能與成本上的平衡。王如竹預測,在 MOFs 市場打開后,該新型材料成本還能繼續下降。

(本文首發鈦媒體,作者 | 林志佳,編輯 | 趙宇航)

論文作者介紹

論文第一作者王晨曦

本篇論文的第一作者是上海交通大學制冷與低溫研究所在讀博士生王晨曦,是王如竹教授的學生,其主要研究方向為多孔介質的熱質傳遞機理及其在能源、環境等領域的應用,設施農業的綜合能源管理。

論文通訊作者王如竹教授

本篇論文的通訊作者是上海交通大學制冷與低溫工程研究所所長、上海交通大學動力機械工程系的王如竹教授。1964 年 12 月生,其研究方向包括制冷空調中的能源利用;低品位熱能制冷技術;太陽能與自然能源利用與建筑節能;低溫傳熱與低溫系統等。王如竹教授曾以第一完成人獲國家自然科學二等獎 1 項、國家技術發明二等獎 1 項,以及 2016 年 " 萬人計劃 " 領軍人才。迄今發表審稿期刊論文達到 458 篇,130 篇國際會議論文,32 篇評論論文和 10 本書,被引用次數超過 15000 次,h 指數為 64。曾獲得 2017 年亞洲制冷學術獎勵 Asia Academic Award of Refrigeration,其是獲得該學術大獎首位中國的科學家。

論文地址:

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351 ( 19 ) 30590-2

參考鏈接:

https://www.eurekalert.org/pub_releases_ml/2020-01/cp-5012120.php

http://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/wangruzhu.html

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