电子冷却调研

1、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,2,2020/10/12,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。,清华大学相变与界面现象实验室,3,2020/10/12,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,5,2020/10/12,散热片/热沉的新发展,清华大学相变与界面现象实验室,6,2020/10/12,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

2、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,8,2020/10/12,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。,相变冷却技术,清华大学相变与界面现象实验室,10,2020/10/12,热管,清华大学相变与界面现象实验室,

3、11,2020/10/12,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,12,2020/10/12,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

4、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,13,2020/10/12,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,14,2020/10/12,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, 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

5、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。,CPL/LHP技术,清华大学相变与界面现象实验室,16,2020/10/12,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

6、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,17,2020/10/12,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,清华大学相变与界面现象实验室,18,2020/10/12,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

7、态 在3 kW时管内微槽dryout,清华大学相变与界面现象实验室,19,2020/10/12,Exp. (cont.) 稳态特性,清华大学相变与界面现象实验室,20,2020/10/12,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,其它新型相变冷却技术,清华大学相变与界面现象实验室,22,2020/10/12,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35 W/cm2,清华大学相变与界面现象实验室,23,2020/10/12,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)