محققان ژاپنی با ترکیب طراحی میکروکانال‌ها و ساختارهای مویرگی، رکوردی تازه در عملکرد سیستم‌های خنک‌سازی ثبت کردند؛ دستاوردی که می‌تواند مسیر پیشرفت در فناوری‌های الکترونیکی و پایدار را هموار کند. در این روش برای خنک‌سازی از آب جوش استفاده می‌شود تا حرارت بیشتری جذب کند.
قانون مور سال‌هاست مسیر پیشرفت در دنیای الکترونیک را هموار کرده و موجب شده تراشه‌ها مداوم کوچک‌تر و قدرتمندتر شوند اما این روند به افزایش چگالی حرارتی و ایجاد گرمای بیشتر در فضای کمتر منجر شده؛ مشکلی که روش‌های فعلی خنک‌سازی به‌سختی از پس آن برمی‌آیند. پژوهشگران مؤسسه علوم صنعتی دانشگاه توکیو، با معرفی روش نوین خنک‌سازی برای ریزتراشه‌ها، گام مهمی در رفع این چالش برداشته‌اند.
یکی از مؤثرترین روش‌های فعلی برای دفع حرارت، استفاده از میکروکانال‌هایی است که درون تراشه تعبیه شده و امکان گردش آب و انتقال حرارت را فراهم می‌کنند اما این روش فقط به حرارت محسوس آب متکی است؛ یعنی انرژی که پیش از تغییر فاز آب برای افزایش دمای آن لازم است. در مقابل، گرمای نهان که هنگام جوشیدن یا تبخیر آب جذب و آزاد می‌شود، حدوداً ۷ برابر بیشتر است و پتانسیل بالاتری برای خنک‌سازی ایجاد می‌کند.
بر همین اساس، پژوهشگران با بهره‌گیری از گرمای نهان آب، به استفاده از سیستم خنک‌کننده دوفاز روی آورده‌اند؛ رویکردی که به گفته آنها، بهره‌وری سیستم را به‌شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. البته تحقیقات پیشین نشان داده بودند مدیریت جریان بخار پس از جوشیدن، چالش‌های خاص خودش را دارد؛ بنابراین برای بهینه‌سازی انتقال حرارت، عواملی مانند 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 ریزسیال سه‌بعدی، ساختارهای مویرگی و لایه‌ای برای توزیع متوازن سیال می‌شود. محققان با طراحی و آزمایش انواع هندسه‌های مویرگی، عملکرد آنها را در شرایط مختلف ارزیابی کرده‌اند.
نتایج نشان می‌دهد هم هندسه میکروکانال‌ها (جهت جریان خنک‌کننده را تعیین می‌کند) هم کانال‌های منشعب (وظیفه توزیع خنک‌کننده را بر عهده دارند)، نقش مهمی در عملکرد حرارتی و هیدرولیکی سیستم دارند.
به گفته تیم تحقیقاتی، ضریب عملکرد (COP) این سیستم که نسبت سرمایش مفید به انرژی مصرف‌شده را نشان می‌دهد، به عدد قابل‌توجه ۱۰۵ رسیده که نسبت به روش‌های 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 توسعه فناوری‌های نسل بعدی است.
یکی از مزیت‌های جالب این فناوری آن است که می‌تواند غیرفعال نیز عمل کند؛ یعنی باتکیه‌بر تغییر فاز مایع که از طریق هم‌رفت برای دفع حرارت انجام می‌شود، گرما را بدون نیاز به پمپ منتقل کند. چنین قابلیتی این فناوری را برای حوزه‌هایی فراتر از الکترونیک، ازجمله لیزرها، آشکارسازهای نوری، دیودهای نوری (LED)، سامانه‌های راداری و صنعت خودرو 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 ببخشد و از طریق مدیریت بهتر گرما، به تحقق اهداف کاهش کربن نیز کمک کند.
نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در Cell Reports Physical Science منتشر شده است.
