電力的產生和使用總是伴隨著熱而來,但這又必須加以排除。儘管有時候在較冷的環境中確實需要熱以保持元件和系統的溫度,但是,熱通常都是多餘的。設計人員有一連串的散熱選擇,能夠將熱傳送到遠處(但也因此可能成為某人或某種其他的問題)。這些方式包括非強制(自然對流)和強制性的空氣冷卻、散熱片、導熱管、冷卻板、散熱器以及液體冷卻等,雖然可單獨使用但更經常以某種組合形式搭配使用。

由於有著這麼多種方法可以用來處理熱,以及實施傳導、對流和輻射的各種組合途徑,您可能會認為應該沒有什麼值得研究的內容了。但這種想法並不正確:鑑於熱移除(heat removal)的重要性,其所使用的技術和元件都是一個很大的研究領域,尤其是在大學中。我一直在尋找一些創新的熱管理研究,即使是大多數的研究最後並沒什麼效果或者不切實際,但它們多半都是相當有趣的。例如,我最近注意到了以下三項研究:

輻射降溫保持環境涼爽

針對大規模製冷,紐約州立大學水牛城分校(University at Buffalo)的研究團隊開發了一種外觀像盒子般的設計,能夠將建築物的熱輻射至天空中;就像是一種熱的發射天線。該設計採用一種低成本的聚合物/鋁薄膜,將其放置在盒子底部一個專門設計的太陽能「遮光層」(圖1)。

該薄膜吸收盒內周圍空氣中的熱量,然後透過地球大氣層將這些能量發射到外太空(真的將熱傳送至「遠處」!),因而讓周圍環境得以保持涼爽。這個遮光層不僅阻擋了入射的陽光,還能將薄膜吸收的熱輻射發射到天空中。

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圖1:該系統吸收盒內周圍空氣中的熱量並透過地球大氣層將能量發射至太空,有助於讓周圍環境保持涼爽。(來源:University of Buffalo)

「該聚合物透過熱輻射散熱而保持涼爽,同時還能讓周圍環境降溫,」該校工程與應用科學系電子工程博士候選人、同時也是這篇研究論文第一作者Lyu Zhou說:「這稱為輻射式或被動式冷卻,它非常有趣,因為它完全不消耗電力——無需電池或其他電源即可實現冷卻降溫。」

白天,該薄膜與太陽能遮光層的組合,將一個大約46cm×10cm的測試箱溫度降低大約6°C,到了晚上,溫度更降低了11°C。到了晚上,這個數字上升到大約攝氏11度(約華氏20度)。他們計算出該設置的平均冷卻功率為〜120W/m2。完整的細節請參考研究人員在*《自然可持續發展》(Nature Sustainability)*期刊上發表的論文——《用於全天輻射冷卻的聚二甲基矽氧烷塗層金屬結構》(A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling)。

近場輻射熱傳遞突破黑體極限

在猶他大學(University of Utah),研究人員正探索使用近場(次波長真空間隙間距)輻射熱傳遞(NFRHT)的發展,其中傳遞速率可能超過平坦表面之間的遠場黑體極限,而這也是能量得以由熱輻射產生的上限。Utah的研究團隊證實,如果能夠打造一款使用兩個矽表面非常靠近的裝置,就可能遠遠超出黑體的限制(不,他們並未聲稱其輸出的能量較放入裝置的能量更多;這是一種轉換的設置)。

該裝置使用微柱(micropillar)和微阱(micropit)來隔離高溫發射器和低溫接收器。這些微柱大約比發生輻射轉換的奈米級真空間距更長4.5至45倍,因而能在不犧牲裝置結構完整性的條件下讓寄生熱傳導減至最小。發射器和接收器的厚度約為525μm,表面積為5.2×5.2 mm2;微柱的直徑約為20μm或30μm,而刻蝕到發射極基板的阱深度約為4.5μm,直徑約為215μm,如圖2。

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圖2:近場輻射熱傳遞(NFRHT)裝置和測試設置:a) NFRHT裝置是由發射器和接收器組成,並以真空間隙間隔(d)加以隔離;發射器的底部視圖顯示了4個微柱/阱(2××2陣列),但也針對具有3×3微柱/阱陣列的裝置進行測試;b)裝置間隙(d ≈ 380 nm)的SEM影像圖中,每一張SEM影像都對應至裝置的一個角;c)裝置的傳熱遞測量設置和等效熱電路;其組成由上到下包括一個熱電加熱器、一個嵌入於銅製散熱器的熱側熱敏電阻(用於測量高溫;Th)、一個NFRHT裝置、一個嵌入於銅製散熱器中的冷側熱敏電阻(用於測量低溫、Tl)、一個由銅散熱器包圍的熱通量計,以確保透過該計和熱電冷卻器的熱通量均勻。(來源:University of Utah)

傳熱遞(heat-transfer)的測量使用一個帶熱電加熱泵的真空室,以及一個接收器溫度恆定在〜300K的熱電冷卻器。這項測試針對具有不同真空間隙間距和溫差在〜5到100K之間的6種裝置進行測試。研究人員發現,理論值和實驗結果趨向於一致。對於各種不同裝置測得的輻射通量均超過了遠場黑體限值,其超越黑體限值的輻射傳遞增強量(EBB)約為28.5。有關這項研究的細節可參考研究人員發表於《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊的「近場輻射熱傳遞裝置」(A near-field radiative heat transfer device)一文。

原子級隔熱層散熱節能

最後,美國史丹佛大學(Stanford University)的研究人員採用了一種廣泛使用的隔熱設計,例如節能窗中所使用的——採用多個隔離薄層,以創建超薄隔熱層。研究人員採用一層石墨烯(僅1個原子厚)以及3個僅3原子厚的其他單層,創造了一種只有10原子深度的4層絕緣體,如圖3所示。當原子的熱振動穿過每一個隔熱層時,如圖4所示,它們將會被抑制而損耗許多能量。

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圖3:這張放大的影像顯示4層原子級厚度的材料,形成僅2-3奈米厚的隔熱層。(來源:NIST)

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圖4:隔離層的電氣與掃描探棒特性;A)剖面圖顯示4探針配置;電流在石墨烯頂層流動,熱量在各層之間耗散至基板;B) 4探針測試結構的光學影像;C)在真空(~10−5 torr)中測量3種測試結構堆疊——Gr/MoS2/WSe2、Gr/WSe2以及僅Gr控制裝置的熱傳遞特性。(來源:Stanford University、NIST)

這可以用來保護電子元件免於受到附近熱來源影響嗎?...

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