電子機器の性能が上がるにつれて、より高度な熱管理技術が求められます。
過剰な熱を発生する機器には 熱管理 高い耐性または高い処理負荷の結果として発生します。高度な熱管理は、次のようなデバイスによく見られます。
- 最新のCPU
- GPU/グラフィックカード
- TPU
- その他の特殊処理装置
これらのデバイスは動作時に大量の熱を発生します。ヒートパイプなどの高度な熱管理アイテムは、人工知能、自律走行車、ハイエンドのパーソナルコンピュータなどの高処理アプリケーションで一般的になりつつあります。
ヒートパイプ技術とは何ですか?
ヒートパイプ は、密閉された環境内での冷凍サイクル特性を利用して熱源から熱を逃がす高度な熱管理技術です。ヒートパイプの基礎、ヒートパイプの構造、一般的なヒートパイプの用途について説明します。
名前が示すように、ヒートパイプは、システムから熱を逃がす（通常は円筒形の）コンポーネントです。ヒートパイプの主な動作目標は次のとおりです。
1.液体を沸騰させる
2.ガスを輸送する
3.ガスを液体に戻す
4.液体を熱源に移す
5.繰り返す
作動液体の2つの異なる物質相変化を考慮すると、ヒートパイプは大量のエネルギーを吸収、伝達、放出するのに非常に効率的です。ヒートパイプでは、通常、作動液体として水またはアルコールが使用されます。
ヒートパイプシステムサイクル
ヒートパイプの「サイクル」には4つの段階があります。
1.熱吸収：ヒートパイプに熱が加えられると、作動流体が蒸発します。この相変化は、エネルギーを素早く吸収するのに非常に効率的であり、作動流体の自然な特性を活用します。システムに設定されている圧力に応じて、液体は特定の温度で沸騰します。圧力が低いと沸点も低くなり、加圧ヒートパイプでは沸点も高くなります。
2.熱移動: 液体が蒸気に変わると、拡散により気体流体は密度の低い領域に急速に移動します。この動きは素早く、追加の入力なしで自然に発生します。
3.熱放出: 高温の蒸気がヒートパイプの端に到達すると、ヒートシンク、ファン、外部冷却液などの冷却媒体がエネルギーをパイプから遠ざけます。この解放されたエネルギーにより蒸気が再び液相に凝縮され、これもまた作動流体を介してエネルギーを伝達する非常に効果的な方法です。
4.冷却動作: 凝縮された液体（冷却媒体とみなすことができます）は、ウィッキング素材によって吸収されます。重力、毛細管現象、または遠心力のいずれかによって、液体はヒートパイプの加熱部分に戻り、サイクルが完了します。
ヒートパイプの製造工程
ヒートパイプ設計における基本的な動作コンポーネントは、圧力調整され密閉されたシェルで、そのシェルにはウィッキング材の周囲、オープンスペース、および液体が含まれています。
ヒートパイプのシェルは、銅などの熱伝導率の高い材料で構成されています。システムがヒートパイプの外殻に熱を加えると、その熱はウィッキング材に伝わります。ウィッキング素材は表面積が大きく、熱伝導性も高いため、液体媒体全体に熱エネルギーを効率的に分散させることができます。このプロセスにより、効果的な沸騰環境が生まれます。吸熱材がヒートパイプの片端にのみある場合は、その端だけが加熱端になります。この設計オプションは、サーマル ダイオード (サーモサイフォンとも呼ばれる) で使用されています。
ヒートパイプ技術は、製造プロセスの限界を継続的に押し広げています。現代のヒートパイプは「パイプ」の形に似ておらず、上の画像に示すように、強制冷却または受動冷却のために熱を広い表面積に移動させる平らなチャネルである場合があります。これらのヒートパイプ構成は、ベイパーチャンバーとも呼ばれます。蒸気チャンバーは大量のエネルギーを吸収し、アセンブリの上部にあるヒートシンクに伝達します。これにより、システムから熱を逃がすための非常に大きな表面積が作成されます。
電子機器冷却用ヒートパイプ
ヒートパイプはハイエンドのパーソナルコンピュータに使用されていますが、デスクトップ人工知能スーパーコンピュータなどの高処理アプリケーションでも1990年代から使用されています。ヒートパイプ冷却アセンブリは、CPUとGPUが最新のシリコン性能の限界を押し広げているため、カスタム ゲーム用コンピュータ コンソールに最もよく使用されています。これらの冷却装置は、ほとんどの場合、ヒートシンクやファンなどの強制空気システムと組み合わせて使用されます。
高い処理能力とそれに伴う熱発生を必要とするもう一つの新興産業は、人工知能とニューラル ネットワークのトレーニングです。これらのアプリケーションでは、多くの場合、ヒートパイプ駆動テクノロジーを活用したカスタム コンピューティング ビルドとカスタム熱管理ソリューションが必要になります。ヒートパイプは次のような用途にも使用されます。
- LED冷却
- 太陽熱利用
- 熱保護アプリケーション
- 換気熱回収
- 宇宙船の暖房
- エネルギーハーベスティング
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