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1、电子设备的现代冷却技术概述,1,稻谷书屋,前言,现代电子技术的飞速发展面临日益严峻的热管理问题； 芯片级的发热功率以达到50100 W/cm2的量级，并且仍在迅速升高； 为电子设备提供模块化、高效低价的冷却方案已成为传热领域研究的一大热点。,2,稻谷书屋,现有技术路线与应用场合,3,稻谷书屋,单相冷却技术空气冷却,4,稻谷书屋,散热片/热沉的新发展,5,稻谷书屋,微槽道热沉,通过在传统金属热沉内部添加宽度为1001000微米量级的微细槽道，有效的增大了换热面积，从而提高了热沉的换热效率。 研究结果显示，微槽道热沉的热阻可降至0.03/W 对于要求避免复杂的相变换热系统而倾向于使用简单廉价的单相
2、冷却（如空冷）的用户来说，这不失为一种可行的改良方案。,6,稻谷书屋,单相冷却技术液体冷却,7,稻谷书屋,水冷换热器冷板(cold plate),冷却工质管道与金属托板之间的紧密结合保证了良好的热传导性能。 可选择铜制冷却管和铝制托板，保证换热效过的同时可以降低成本 可以直接用于半导体其间等电子设备的冷却。,8,稻谷书屋,相变冷却技术,9,稻谷书屋,热管,10,稻谷书屋,热管原理,于1962年由G.M.Grover发明 可将热量在相距较远的两端快速传递的简单设备 常被称作“热超导体” 通过工质气化在蒸发段吸收热量，蒸汽通过绝热段后在冷凝段液化放出热量，冷凝液体在多孔芯提供的毛细力作用下被泵回蒸
3、发段，完成热管换热循环。,11,稻谷书屋,热管技术难点,管体材料 化学性质：与工质和环境的相容性 比强度 导热性质 加工特性 致密度 润湿性质 多孔芯 金属材料 纤维性材料，如陶瓷材料，碳纤维材料等 应具有合适的孔隙大小和均匀的分布，以提供足够的毛细力，同时保证良好的液体通过性和浸润性质。 常用的结构包括：烧结粉末型，微槽管型及筛网型等,工质 良好的热稳定性 对孔芯与壁面材料的润湿性 蒸汽压力不能过高或过低，应处于运行温度范围内 高潜热 高导热率 气态与液态的黏度都较低 高表面张力 合适的凝固点温度,12,稻谷书屋,几种典型工质及其适用场合,13,稻谷书屋,工业应用,自上世纪90年代以来，热管
4、制造技术有了长足的发展，管径由3mm, 4mm 3/16 inch到1/4 inch等规格的热管均可由自动机械制造完成而无需人工干预，从而大大降低了热管造价。 按照1998年的数字，用于移动计算机市场的3mm热管产品售价为$1.25$1.75。而应用热管技术的冷却系统造价约为$0.400.50/W。近年来这一数字进一步降低到了$0.20/W 以下。 根据应用场合的不同，热管冷却系统的设计制造多采用定制的方式。美、日等国家均有多家公司提供方案设计和设备加工的服务。,14,稻谷书屋,CPL/LHP技术,15,稻谷书屋,CPL/LHP原理,在热管技术的基础上发展起来，将蒸汽通道与液体通道分开，利用置
5、于蒸发器内的毛细芯产生的毛细力，以及冷凝器与蒸发器的高差和工质气/液态密度差所产生的重力压头，实现系统内部的工质循环，达到冷却的目的。 相比热管冷却，CPL/LHP的导热性能提高了一倍，能够承载更高的热负荷，且造价更低，冷却强度可以灵活掌握，但同时系统更加复杂。 针对CPL/LHP技术的研究以达到了较高的水平，但尚未有成熟的工业产品。其在航天、电子等部门的应用前景非常广阔。,16,稻谷书屋,Exp: Lockheed Missiles and Space Co. Inc., USA.,1995,工质：氨 蒸气通道管径0.635 cm 管内开有梯形微槽 传热面积：50 cm2,17,稻谷书屋,E
6、xp. (cont.) 稳态特性,热负荷已500W增幅从500W升至3000W 在每一热负荷下均达到稳定运行状态 在3 kW时管内微槽dryout,18,稻谷书屋,Exp. (cont.) 稳态特性,19,稻谷书屋,Exp (cont.) 瞬态特性,偏离设计状态的稳态实验：在热负荷为1000 W的稳定运行状态下输入幅度分别为2、4、8、10 kW 的热负荷脉冲，考察系统的瞬态响应特性,20,稻谷书屋,其它新型相变冷却技术,21,稻谷书屋,以EHD泵为核心的微冷却系统,电子-水动力学(Electrohydrodynamics, EHD)研究电场对介电流体的作用。这种作用通常体现在离子牵拉或极化作
7、用引起的微流动泵吸作用。 与CPL/LHP系统不同的是，基于EHD微泵的冷却系统利用电场作用而不是毛细作用为工质循环提供动力。 采用R-134a工质，冷却能力可达35 W/cm2,22,稻谷书屋,喷淋冷却,直接向设备的喷淋工质，通过冲击射流和相变的共同作用，可以达到极高的换热效果(可高达200 W/cm2) 图示为不同喷淋量得到的临界热负荷(Critical heat flux, CHF) 曲线,23,稻谷书屋,一种滴液型的冷却方案：基于MEMS技术的高热流冷却EDIFICE,EDIFICE：嵌入式液滴冲击型电子设备集成冷却（系统） 滴径50100mm 冷却能力70100 W/cm2,24,稻谷书屋,
