Вопрос охлаждения помещений и электронных компонентов стоял перед человечеством всегда. Как известно из физики, любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (273,15 °C), излучает электромагнитное тепло. И если раньше для охлаждения использовались преимущественно естественные методы, то сегодня на передний план выходят высокотехнологичные решения. В этой статье мы рассмотрим семь инновационных и классических способов охладить пространство, где ключевую роль играют кристаллы — от полупроводниковых чипов до искусственных фотонных структур.
Термоэлектрическое охлаждение (Эффект Пельтье)
Это один из основных способов охлаждения, где кристаллы играют главную роль. В основе метода лежит использование полупроводниковых кристаллов (обычно висмута и теллура). Когда через соединение двух разнородных кристаллов проходит электрический ток, одна сторона кристалла поглощает тепло, а другая, выделяет. Этот метод не требует движущихся частей или хладагентов, что делает его идеальным для точечного охлаждения небольших пространств и электронных компонентов.
Жидкостное охлаждение напрямую на кристалле
Современные процессоры выделяют колоссальное количество тепла. Жидкостное охлаждение напрямую на кристалле — это усовершенствованный метод, воздействующий непосредственно на высокотемпературные зоны. Вода или специальная теплоносительная жидкость подается микронасосами в каналы, выгравированные прямо на поверхности кремниевого кристалла. Это позволяет отводить тепло в разы эффективнее, чем традиционные воздушные методы.
Кипящее (двухфазное) охлаждение
Для этого способа требуются специальные контейнеры, куда помещается кристалл. Суть метода заключается в нагреве жидкости до температуры кипения и парообразования прямо на поверхности чипа; Фазовый переход поглощает огромное количество энергии, эффективно охлаждая кристалл. Образовавшийся пар затем конденсируется и возвращается в цикл, создавая замкнутую и крайне эффективную систему охлаждения пространства вокруг процессора.
Адиабатическое охлаждение с фотонными кристаллами
Помимо воздушных методов, возможно адиабатическое охлаждение, использующее эффект, сопряженный с испарением воды. Однако современные технологии пошли дальше: создание специальных фотонных кристаллов, которые «отражают» тепловые волны в атмосферу, пропуская при этом инфракрасное излучение. Покрывая крыши зданий такими кристаллическими структурами, можно добиться пассивного охлаждения внутреннего пространства на несколько градусов ниже температуры окружающей среды без затрат энергии.
Фронтальный отвод тепла с помощью кристаллов-полупроводников
Под термином фронтальный отвод тепла подразумевается отвод тепла с помощью специально сконструированных радиаторов охлаждения. Как правило, это самый распространенный способ охлаждения в системе охлаждения полупроводниковых приборов. На практике применение ребристого радиатора высотой 1 юнит в серверной стойке в сочетании с кристаллами термопасты (обеспечивающими идеальный контакт на молекулярном уровне) позволяет эффективно отводить тепло от чипа в окружающее пространство.
Дросселирование и химическое охлаждение
Химический способ и охлаждение дросселированием также могут использовать кристаллические структуры. В химическом охлаждении применяются кристаллы сорбентов, которые при поглощении аммиака или воды вызывают резкое падение температуры в изолированном пространстве. Дросселирование же подразумевает расширение газа через кристаллические пористые мембраны (сито), что также приводит к снижению его температуры за счет эффекта Джоуля-Томсона.
Радиационное кристаллическое охлаждение (ИК-излучение)
Вспомним базовую физику: любое тело излучает электромагнитное тепловое излучение. Инженеры создают метаматериалы и кристаллы, настроенные на излучение в строго определенном инфракрасном диапазоне (так называемое «окно прозрачности атмосферы»). Такие кристаллы буквально «выбрасывают» тепловую энергию из охлаждаемого пространства прямо в открытый космос, минуя нагрев окружающего воздуха. Это самый перспективный пассивный способ охлаждения больших пространств.
От исторических естественных методов до охлаждения на самом кристалле чипа, технологии терморегуляции прошли огромный путь. Будущее охлаждения пространств, будь то серверные стойки или жилые помещения, лежит в умном управлении тепловыми потоками с помощью кристаллических структур, фазовых переходов и квантовых эффектов;