Учёные Калифорнийского университета опубликовали в журнале Cell Reports Physical Science результаты исследования, согласно которым использование гидрогеля может значительно повысить эффективность работы пассивных систем охлаждения для электроники. Это было подтверждено в ходе экспериментов с охлаждением полевого транзистора с тепловой мощностью 100 Вт и процессора Intel Core i5-4690 с уровнем TDP в 84 Вт.
Источник изображений: University of California
В предисловии к своей публикации исследователи напоминают, что охлаждение электроники является очень важным, но весьма дорогостоящим мероприятием. Основные затраты здесь связаны с объёмом используемой энергии, охлаждающей жидкости, а также воздействием на окружающую среду. Исследователи считают, что повышение эффективности пассивных систем охлаждения могло бы принести большую пользу в сокращении накладных расходов.
Особенность гидрогеля в том, что он может накапливать и высвобождать жидкость при изменении температурных показателей. Под нагрузкой электроника выделяет значительный объём тепла, которое заставляет гидрогель, нанесённый на радиатор, высвобождать жидкость. Она испаряется, что дополнительно повышает эффективность охлаждения. При отсутствии воздействия высокой температуры гидрогель «перезаряжается», накапливая жидкость из окружающего воздуха.
Из описания ставится понятно, что такая система охлаждения рассчитана именно на цикличную нагрузку. В качестве примеров сред использования подобного охлаждения исследователи указывают оборудование сетей 5G, а также ЦОД, которые работают по циклам 12-часовой высокой и 12-часовой низкой нагрузки. Кроме того, такая система охлаждения в перспективе может найти своё применение в силовых батареях и оптоэлектронике.
Учёные протестировали пассивную систему охлаждения с гидрогелем на полевом транзисторе с тепловой мощностью 100 Вт и 84-ваттном процессоре Intel. Результаты этих испытаний показали, что радиатор с гидрогелем значительно эффективнее справляется с охлаждением указанных компонентов по сравнению с радиатором без гидрогеля. Тесты проводились в лабораторных условиях при средней температуре окружающей среды 22 градуса по Цельсию и относительной влажности воздуха на уровне 70 %. Радиатор с гидрогелем обеспечил на 15 °С более низкую температуру, чем обычный радиатор. Высокая влажность среды позволяет гидрогелю эффективнее накапливать жидкость после цикла работы. Иными словами, системы охлаждения с его использованием лучше всего смогут показать себя в тропических условиях, где влажность воздуха часто составляет 80–90 %.
Исследователи поясняют, что в условиях, когда использование только одних пассивных систем охлаждения с гидрогелем может оказаться недостаточно эффективным, можно организовать гибридные решения для охлаждения в виде теплопроводящих трубок, испарительных камер или контуров СЖО. Эксперименты показывают, что эффективность пассивной системы охлаждения также зависит от площади, на которую наносится гидрогель — чем она больше, тем эффективнее охлаждение. Также отмечается, что данный метод охлаждения хорошо масштабируется и относительно дёшев в использовании. Один радиатор с гидрогелем обойдётся примерно в $12.
Конечно, хотелось бы увидеть эффективность данной системы охлаждения в условиях, когда циклическая нагрузка невозможна, а также посмотреть на результаты проверки указанной системы охлаждения с более мощными, современными процессорами, обладающими тепловой мощностью более 200 Вт.
