2023年4月19-21日
上海世博展览馆

中国电子展——电子设备的液体散热技术

液体冷却是利用经过热源的液体带走芯片产生的热量,没有噪音,具有较高的换热能力。以下是几种液体冷却方式是根据传统的直接液体冷却延伸出来的新技术。

1.微通道冷却

微通道冷却是在芯片的下面的基板上刻蚀出多条微米级的流体通道,使得流体流过通道时吸收芯片的热量。该方式包括单相换热和两相换热两种,其中单相换热的热容小,换热效果差,并且冷却后温度不均匀,导致应力过大。相反两相换热存在较大的潜热,换热能力高,冷却后温度均匀,不会产生很大的应力,并且工质温度不会上升很高。微通道冷却中的两相换热是当前的研究热点,使用低压制冷剂作为工质的两相换热中,散热能力可以达到300 W/cm2以上。喻祖 康等通过实验得到表面亲水性能有效提高微通道的换热性能,在低热流密度、低进口干度下,超亲水表面平均换热系数大,比普通光滑表面提高了64%,亲水表面平均换热系数比普通光滑表面提高了27%; 在高热流密度、高进口干度工况下,平均换热系数的值超亲水表面比普通光滑表面提高约80%,亲水表面比普通光滑表面提高约50%。

2.喷雾冷却

喷雾冷却是通过一个喷嘴将液体雾化形成气液两相喷射到电子设备上,其中一部分吸收热量后气化,通过相变带走部分热量; 另一部分在热源表面形成液膜,热量随着液膜的流动被带走。液膜中的不凝结气体对换热增强了扰动,可以非常大地提高电子设备的散热能力。 喷雾冷却的相变换热热流密度可以达到1000 W/cm2 以上,Lin 等人分别利用碳氟化合物、甲醇、水为工质进行相变换热,通过实验得到可以得到热流密度分别为 90、490、500 W/cm2 以上。该冷却方式有一定的的缺点待解决,喷雾冷却方式的系统复杂,空间要求很高,很难维护保养。喷雾冷却因其液体流量小,冷却后芯片温度分布均匀,应力小等优点被视为具有很好发展潜力的电子芯片散热方式。目前,由于存在的问题没有解决,只能用于军工、航空类产品中。王高远等人通过对R134a低压条件下喷雾冷却实验,得到低压条件下喷雾冷却随着压强的降低换热能力逐渐降低,并且闪蒸对换热能力影响很大,在布置喷嘴时需要考虑。在喷雾冷却工质中加添加纳米颗粒、表面活性剂、可溶性盐和气体以及醇类 添加剂等对于换热特性有很大的提升。李依一通过实验验证添加表面活性剂后有效改善了喷雾冷却的传热性能,尤其是添加SDS后效果非常好。但是目前加添加剂的方式仍在起步阶段,存在的问题比较复杂。喷雾冷却受制于空间的限制,不能用于小型电子器件中,但应用于超级计算机中的效果非常好;目前喷雾冷技术以运用于CREY超级计算机上,在数据中心中也得到大规模运用。随着该冷却方式的发展,相信应用方面会更加成熟。

3.射流冷却

射流冷却是利用高速喷射出的液体来冷却电子芯片。射流冲击热源由于其较高流速冲击可以带来很好的换热效果,液体在热源表面蒸发吸热也会带走很大的热量。在芯片表面的温度为85℃,工质流量低于 2.5 L /min,压降小于36.05 kPa的条件下,射流冷却的散热能力可以达到300 W/cm2 以。射流冷却也分为单相换热和两相换热两种,单相换热边界层厚度会逐渐增大,影响传热效果; 两相换热存在潜热,其换热效果比单相换热要高很多,也不存在边界层厚度增加的问题。目前,两相换热成为研究热点。Javidan Mohammad等人使用多喷嘴喷射冲击冷却系统在合适工作条件下使光伏模块的温度从63. 95℃下降到33.68 ℃。3M公司研制的射流冷却剂Perfiuorocarbon应用较多,其沸点为55℃,冷却能力为500 W/cm2 ,可以保持芯片温度低于75℃。射流冷却也存在一些问题,比如喷射压力不能过大,否则会损坏电子设备;冷却系统内部结构相对其他方式比较复杂,占用空间较大等。以上三种液体散热方式各有优缺点,喷雾冷却和喷射冷却比较相似,它们的结构都很复杂,不适合用于日常的电子设备中,但它们的散热能力强,喷雾冷却适合于超级计算机、大数据散热中; 喷射冷却适用于军工类物品中,比如战斗机、航空器等,这两种散热方式在近几年是无法被取代的。微通道冷却是未来发展的大方向,无论是在日常电子设备还是其他精密电子仪器中,都将会采用这种方式。

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