电子冷却调研.ppt

电子设备的现代冷却技术概述 清华大学相变与界面现象实验室 2 2020 3 16 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50 100W 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 清华大学相变与界面现象实验室 3 2020 3 16 现有技术路线与应用场合 单相冷却技术 空气冷却 清华大学相变与界面现象实验室 5 2020 3 16 散热片 热沉的新发展 清华大学相变与界面现象实验室 6 2020 3 16 微槽道热沉 通过在传统金属热沉内部添加宽度为100 1000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冷却 如空冷 的用户来说 这不失为一种可行的改良方案 单相冷却技术 液体冷却 清华大学相变与界面现象实验室 8 2020 3 16 水冷换热器 冷板 coldplate 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 相变冷却技术 清华大学相变与界面现象实验室 10 2020 3 16 热管 清华大学相变与界面现象实验室 11 2020 3 16 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发段 完成热管换热循环 清华大学相变与界面现象实验室 12 2020 3 16 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 清华大学相变与界面现象实验室 13 2020 3 16 几种典型工质及其适用场合 清华大学相变与界面现象实验室 14 2020 3 16 工业应用 自上世纪90年代以来 热管制造技术有了长足的发展 管径由3mm 4mm3 16inch到1 4inch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 40 0 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 CPL LHP技术 清华大学相变与界面现象实验室 16 2020 3 16 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 清华大学相变与界面现象实验室 17 2020 3 16 Exp LockheedMissilesandSpaceCo Inc USA 1995 工质 氨蒸气通道管径0 635cm管内开有梯形微槽传热面积 50cm2 清华大学相变与界面现象实验室 18 2020 3 16 Exp 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3kW时管内微槽dryout 清华大学相变与界面现象实验室 19 2020 3 16 Exp cont 稳态特性 清华大学相变与界面现象实验室 20 2020 3 16 Exp cont 瞬态特性 偏离设计状态的稳态实验 在热负荷为1000W的稳定运行状态下输入幅度分别为2 4 8 10kW的热负荷脉冲 考察系统的瞬态响应特性 其它新型相变冷却技术 清华大学相变与界面现象实验室 23 2020 3 16 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35W cm2 清华大学相变与界面现象实验室 24 2020 3 16 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200W cm2 图示为不同喷淋量得到的临界热负荷 Criticalheatflux CHF 曲