中国团队开发新型冷却方案,登上世界著名能源期刊

钛媒体快讯 | 1月24日消息,近日,上海交通大学的王如竹教授和他的团队,首次提出了一种基于环境水蒸气吸附-解吸的热管理解决方案,其中包括新型涂层材料,以及针对电子产品散热的全新技术等。新的热管理解决方案或将大大提升电子产品的性能和可靠性。 据悉,该项研究成果在本周登上了世界 Cell Press 细胞出版社旗下著名能源期刊 Joule (《焦耳》)。

这一研究或将改变如今电子产品的散热模式。未来,这一解决方案,有望应用在锂电池快充、5G 通讯、光伏发电等领域,为芯片产业带来更多的发展空间。

手机运行15分钟,温度就能冷却7度

随着互联网的不断发展,大众对于电子产品的性能要求不断提升,强劲的芯片成为市场所需。但在性能之外,散热也一直是困扰行业的问题之一。

电子产品在长时间高负荷使用下会产生严重的发热问题,根据鲁大师 2019 年 Q3 数据 报告 显示,手机在性能满载时的温度会达到 43 度以上,远远超过人体所能接受的 37 度日常体温。电脑等这类大一些的电子设备可以使用风扇散热,但手机、平板电脑等小一些产品,仅依靠石墨和硬脂酸等隔热材料,无法让芯片热量迅速传出去,其芯片的有效散热成了大问题。

本篇论文的通信作者、上海交通大学教授王如竹在接受钛媒体采访时表示,手机在高负荷的情况下工作一段时间,表面的温度会上升。不仅影响用户体验,也会对器件带来风险,而新的热管理方案,将让手机等电子产品迅速冷却。

他强调,这是一种“特殊的强化冷却方法“,与现在使用的相变材料 (PCMs)温度管理方案并不相同,该项研究能为通讯产品,终端产品,电动汽车等的热管理提供新的解决方案。

受到哺乳动物利用出汗来调节体温这一生理现象的启发,王如竹及其团队提出了一种利用多孔材料解吸过程强化设备散热的新方法,解决电子产品有效散热问题。此类材料能够吸附并储存空气中的水分,并在受热时释放水蒸气,带走热量。这个受热解吸温度可以设计在 40-60 度之间,解吸热与水的蒸发潜热相当,保证安全有效。

材料方面,王如竹在论文中提到,金属有机骨架化合物(MOFs)发展迅速,是最有潜力的水蒸气吸附材料之一,但由于 MOFs 材料的成本原因,其采取了一种折中方案,用 MIL-101(Cr) 替代,对于成本进行控制,以达到效果上的最大化。

王如竹教授对钛媒体表示,他们曾经试图用 MOFs 在沙漠里空气取水,但是这个材料价格昂贵,现实中并不适合这样大规模的运用。他们经过长时间研究,发现 MIL-101(Cr) 是 MOFs 材料的一种,其在常见环境条件下具有很强的吸水能力,并且能够随着温度的上升迅速解吸出大量水分,他们最终选择 MIL-101(Cr) 涂层材料进行散热实验。

MIL-101(Cr) 涂层材料

研究人员发现,MIL-101(Cr) 涂层可以有效地延缓铝片温度的上升,涂层越厚,抑制升温的效果也越好。在一块安卓系统开发板的翅片散热器上,涂覆了该材料。与没有涂层的常规散热器相比,新的涂覆散热器能够在高负荷运行 15 分钟后,芯片壳温要低 7℃。这一实验证明,与传统固液 PCM 材料相比,该方案具有更优越的冷却表现,能够显著延长控温的作用时长。

据悉,接下来该研究团队希望能进一步优化吸附剂涂层对设备稳态散热能力的影响,他们会综合各类 MOF、COF、ZIF 等材料,形成一套性价比高的热管理解决方案。遵循性能,价格,体积,稳定性等几个要素做综合选择,拓展至各类吸附剂材料,应用于更加广泛的应用场景,例如锂电池快充、5G 通讯、光伏发电等具有典型周期性散热需求的场合。

王如竹教授告诉钛媒体, “我们希望能给 MOFs 找到适合的应用点,这样就可以能够推动市场,同时加速材料学对于这个新型材料的研究。”

根据钛媒体的了解,目前在新的热管理方案下,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,而石蜡价格大概是 30—100 元每公斤,但是需要封装,需要强化导热材料结构。整体来看,MIL-101(Cr) 材料是在性能与成本上的平衡。王如竹预测,在 MOFs 市场打开后,该新型材料成本还能继续下降。

(本文首发钛媒体,作者 | 林志佳,编辑 | 赵宇航)

论文作者介绍

论文第一作者王晨曦

本篇论文的第一作者是上海交通大学制冷与低温研究所在读博士生王晨曦,是王如竹教授的学生,其主要研究方向为多孔介质的热质传递机理及其在能源、环境等领域的应用,设施农业的综合能源管理。

论文通讯作者王如竹教授

本篇论文的通讯作者是上海交通大学制冷与低温工程研究所所长、上海交通大学动力机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调中的能源利用;低品位热能制冷技术;太阳能与自然能源利用与建筑节能;低温传热与低温系统等。王如竹教授曾以第一完成人获国家自然科学二等奖 1 项、国家技术发明二等奖 1 项,以及 2016 年 “万人计划”领军人才。迄今发表审稿期刊论文达到 458 篇,130 篇国际会议论文,32 篇评论论文和 10 本书,被引用次数超过 15000 次,h 指数为 64。曾获得 2017 年亚洲制冷学术奖励 Asia Academic Award of Refrigeration,其是获得该学术大奖首位中国的科学家。

论文地址:

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

参考链接:

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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