在热工程中,传热是一个重要的领域,主要研究不同系统之间热能或热量的产生、使用、转换和交换。传热分为多种机制,例如辐射、对流、热传导和相变期间的能量传递。节能、材料可持续性、热调节和系统紧凑性都取决于有效的热传输。由于技术进步和工业流程的优化,对更高效的热交换系统的需求日益增长。微电子、电力电子、核能、空调、交通运输、航空航天、可再生能源、化学工程和其他工业流程只是使用传热的众多行业中的一小部分。提高传热率主要采用三种策略:被动、主动和组合策略。
纳米尺度对热传输的影响有望在先进半导体架构的散热中发挥重要作用,并提高新型热电材料的效率。热传输测量通常在宏观尺度上进行,并给出多材料结构(包括各种界面和材料)的整体响应。纳米级材料和界面中热传输的原子计算机模拟有助于分析实验,了解尺寸和时间尺度的限制效应,并评估相关的宏观模型。1 到目前为止,通过分子动力学 (MD) 模拟对原子尺度上的热传输进行建模主要遵循两种方法。第一种方法称为平衡 MD,2 基于在给定温度下平衡的系统中热流波动的量化。最终使用 Green-Kubo 或爱因斯坦涨落关系来提取块体材料的热导率。第二种方法称为非平衡 MD 或直接法 3,其基础是在热源和热沉之间建立稳态热流,并从温度梯度的斜率或不连续性中分别提取热体积电导率或界面电导率。在目前的研究中,我们开发了一种不同的方法,称为 AEMD,即“接近平衡” MD。通过划定一个与其他部分温度不同的加热部分,最初将系统设置为非平衡状态。然后监测接近平衡的情况,即两部分之间的温差随时间的变化。可以证明,对于大多数实际关注情况,温度衰减呈指数增长。通常在几十分之一到几百皮秒内达到平衡,因此,与平衡MD中自相关函数的计算和非平衡MD中稳态热流的建立相比,计算成本大大降低。此外,AEMD方法基于平均
无论是军用飞机还是民用飞机,提供足够的热管理都变得越来越具有挑战性。这是由于机载热负荷的量级显著增加,也是由于其性质的变化,例如存在更多低品位、高热通量热源,以及一些废热无法作为发动机废气的一部分排出。复合材料使用的增加提出了另一个需要解决的问题,因为这些材料在将废热从飞机转移到周围大气方面不如金属材料有效。这些热管理挑战非常严峻,以至于它们正在成为提高飞机性能和效率的主要障碍之一。在这篇评论中,我们将阐述这些挑战,以及文献中可能的解决方案和机会。在介绍来自周围环境的相关因素后,对挑战和机遇的讨论将通过对热管理系统中涉及的元素进行简单分类来指导。这些元素包括热源、热获取机制、热传输系统、向散热器的散热以及能量转换和存储。热源包括来自推进系统和机身系统的热源。热获取机制是从热源获取热能的手段。热传输系统包括冷却回路和热力学循环,以及相关组件和流体,它们将热量从热源移动到散热器,可能经过很长的距离。终端飞机散热器包括大气、燃料和飞机结构。除了讨论热管理系统的这些不同元素外,还详细讨论了飞机热管理研究中几个特别优先的主题。这些主题包括电力推进飞机、超高涵道比齿轮传动涡扇发动机和高功率机载军用系统的热管理;环境控制系统;动力和热管理系统;超音速运输机的热管理;以及热管理的新型建模和仿真过程和工具。
由于电子零件预期的功率耗散和功率密集,以满足未来的太空任务应用,因此将需要进行热控制硬件和技术的进步,以保持任务温度和可靠性。这样的应用程序正在冷却与空间激光器相关的电子产品。激光冷却要求可以通过单相热传输到面向空间的散热器的情况下满足,并可能包含相变材料。未来的激光冷却要求将需要更高级的硬件,例如微通道,喷雾冷却和喷气撞击。本报告描述了与当前和未来激光冷却需求相关的热控制硬件,并提供了满足未来激光冷却目标的建议。
微纳米技术 - MEMS 压力传感器、MOEMS 和 RF-MEMS 光学探测器 光子学执行器 机构构件 增材制造 涂层 复合材料 低温技术和焦平面冷却 可展开吊杆和充气结构 热传输设备和系统 印刷电路板和电子组装技术 烟火装置 太阳能电池阵列驱动机构 压紧和释放机构及展开机构技术 光学无源仪器技术(稳定轻型结构、镜子) AOCS 传感器和执行器 航空电子设备 嵌入式系统 机载计算机、数据处理系统和微电子技术 机载软件 机载无线电导航接收器 TT&C 转发器和有效载荷数据发射器 电磁兼容性 电化学储能 电源管理和分配 太阳能发电机和太阳能电池
半导体纳米结构对实施高性能热电发电机提出了很大的希望。的确,他们预计他们将提供降低的导热率,而不会在电导率上进行大量权衡,这是优化功绩热电图的关键要求。在这里,提出了一种新型的纳米式体系结构,其中用离子液体用作热构造栅极介电。这些设备允许在悬浮的半导体纳米线中对电运转运的现场效应控制,其中可以使用全电动设置同时测量热导率。可以合并有关在单个纳米版本上采用的电气和热传输特性的实验数据,以提取ZT,指导装置优化和热电性能的动态调整。
聚合物的多面应用往往受到其热导率的限制。因此,了解聚合物中的热传输机制至关重要。在这里,我们利用分子层沉积来生长三种混合金属锥(即 alucone、zincone 和 tincone)薄膜,并研究它们的热和声学性能。混合聚合物薄膜的热导率范围为 0.43 至 1.14 W m − 1 K − 1 。利用动力学理论,我们将热导率差异的起源追溯到声速变化,这是由薄膜内的结构无序决定的。改变无序性对体积热容量和振动寿命的影响可以忽略不计。我们的研究结果为提高有机、混合和无机聚合物薄膜的热导率提供了方法。
随着中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)的热设计功率(TDP)的不断增加,空气冷却无法有效冷却组件。液体冷却是冷却服务器的更有效方法,并减少了电力和用水量。直接液体冷却可显着减少冷却IT设备所需的能量。由于液体提供的热传输比空气更好得多,因此我们客户冷却IT设备的架子柜的成本可能是其用途寿命上气冷系统的十分之一。Supermicro的液冷架可针对高冷却液温度进行了优化,可提供行业领先的效率。SuperMicro提供了总液体冷却溶液。