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电子冷却技术调研.doc
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电子冷却技术的最新研究进展
近年来, 随着电子技术的迅猛发展,电子元件向微型化、集成化、高性能趋势发展。与
此同时,芯片集成度和封装密度的提高、性能的增强,最终导致单位体积上功耗急剧增加。
而大部分功耗则转换为热能,导致芯片温度的快速升高,这降低了芯片运行的可靠性、缩短了
其使用寿命。就 CPU 而言,热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。有研究
表明,单个电子元件的工作温度如果升高 10℃,其可靠性则会减少 50%,而 CPU 失效问题
的 55%都是由于过热引起的[1]。研究表明,芯片表面温度维持在 50~100 ℃,能有效避免物
理损伤、计算速度的下降和逻辑错误[2]。因此,在极其有限的空间内进行有效及时的散热和
维持芯片温度的稳定已经成为电子元件设计的问题。本文将着重介绍电子冷却技术的最新研
究进展。
一、电子冷却的原理及分类
电子器件冷却的目的是保证其工作的稳定性和可靠性,常用的方法主要有:自然散热或
冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、能量疏导方式、热隔离方式和 PCM(相交材
料)温度控制方法等等。而根据冷源温度与环境温度的关系,可将各种冷却方法分为两大类
即被动式制冷和主动式制冷。
1.1 被动式冷却
被动式散热是指冷源温度高于环境温度的电子元件散热方式。按照冷却介质的不同又可
分为空气冷却和液体冷却。
(1)空气冷却
空冷是指通过空气的流动将电子元件产生豹热量带走的一种散热方式。它又可分为自然
对流和强迫对流。自然对流冷却散热能力非常有限的,通常其对流换热系数在 0~20
2
/( )W m K×
之间。这只能满足发热量较小的电子元件。强迫对流冷却是指介质在外力作用下的流动,主
要借助于风扇等强迫器件周边空气流动,将热量带走。这种散热方式具有比自然对流强得多
的散热能力,通过与热沉组合可使其对流换热系数达 10~100
2
/ ( )W m K×
。目前这种散热方
式已得到广泛应用。
(2)液体冷却
液体制冷是通过液体的流动带走电子元件产生热量的一种散热方式,主要是针对芯片或
芯片组件提出的概念。液体冷却与空气冷却相比有很多优势,最突出的是液体具有比气体大
得多的比热容,因此其热负载能力很大。另外,它还其有噪声小、温度平稳等特点,但是它
也存在系统复杂、成本高和可靠性较低等缺点。
1.2 主动式冷却
主动式冷却是冷源温度低于环境温度的一种散热方式。这种散热方式可以获得较低的芯
片温度,有利于芯片性能的提高;但是它需要消耗更多的能量,可靠性也较低。它可以分为
制冷与低温冷却技术、热电冷却技术(TEC)、MEMS 冷却技术(微通道、微型泵、微热管)
等。
在电子冷却技术中应该考虑的各种因素有:热阻、尺寸、重量、维护要求、可靠性、成
本、热效能、耐环境度(冲击、振动及腐蚀等)、安全性、复杂性、功耗及对设备电性能的影
响。需要指出的是:一个冷却方案不限于一种冷却方式,大多数方案都是根据具体情况,包
含几种冷却方式,相互配合使用。
二、微通道冷却技术
2.1 微通道冷却技术简介
通常将水力学直径在 1~1 000μm 之间的通道或管道定义为微通道[5]。研究表明,由
于微通道尺寸微小,极大地增大了流体与散热器的接触面积,液体在微通道内被加热会迅速
发展为核态沸腾,此时液体处于一种层状结构,其换热能力和通道直径成反比,但带来明显
的压降[4]。由于该技术的容积效率达 20 W/℃/cc,在许多场合甚至完全可以替代常规制冷
系统。
图 2-1 微通道模型
微通道热沉(Microchannel Heat sink ,MCHS)概念最早由 Tuckerman 和 Pease 于 1981 年
提出 ,并从理论上证明了水冷却微通道的散热能力可达 1 000
2
/W cm
。和常规管道内比较后
发现微尺度管道内传热系数比常规管道内传热系数高出 30%~200%,微尺度管道内流动沸
腾换热是一个很好的强化换热方法。
2.2 常规微通道中液体流动
根据 Chien-Hsin Chen[8]的研究,影响微通道中强制对流流体散热特性的四个主要工程
参数为通道高宽比( )、惯性力(Γ)、孔隙度(ε)、有效导热系数比( )。研究发现,流
体的惯性力对无量纲速度分布和液体温度分布有明显的影响,而对固体温度分布几乎没有影
响。此外,整体 Nu 数随着和ε的增大而增大,而随着的增大而减少。
图 2-2 通道热沉示意图
Han-Chieh Chiu , Jer-Huan Jang, Hung-Wei Yeh, Ming-Shan Wu[15]研究了微通道水冷却
的冷却特性,主要是通道尺寸(高宽比、孔隙度)和压降。图 2-3 为实验用的微通道热沉尺
寸图。微通道热沉包括四个部分:进口区、出口区、微通道模块、顶盖。图 2-4 和 2-5 分别
为微通道模型和实验装置系统图。实验装置包括热源、电源、泵、温度计、蓄水池、水塔装
置、过滤器和管路系统。
图 2-3 实验用的微通道热沉尺寸图
图 2-4 微通道模型。
图 2-5 实验装置系统图
研究表明压降和高宽比一定时,孔隙度在 53%~75%之间时,有最小的热阻。在高宽比
较大时,提高压力可以较大的提高冷却效果。同时,当地努赛尔数随着高宽比的增加而减小。
2.3 树状微通道冷却
Xiang-Qi Wang, Arun S. Mujumdar , Christopher Yap[6]的研究表明常规平行管微通道和
盘管微通道有一些固有的缺点,如出入口压降较大、温度分布不均匀。他们研究发现树状的
通道结构有最小的通道阻力。与平行管微通道相比,树状微通道效率较高、需要的泵功较少,
并且受堵塞的影响较小。
图 2-6 为一种典型的树状微通道模型。这个模型包括三个部分:底部的芯片、镶嵌在热
沉中的树状微通道网络和热沉。
图 2-6 典型的树状结构微通道物理模型
堵塞可能是微粒的壅塞引起,这在微通道冷却系统中是很危险的。由于流体不能被分流,
在平行管微通道和盘管微通道中通道的堵塞可能会引起系统的瘫痪。温度可能会升高超过芯
片和热沉的温度限度。在平行管微通道中,因为热量可以由相邻的通道带走,某些管道的堵
塞并不一定导致系统的瘫痪,但是温度还是会升高。
Xiang-Qi Wang, Arun S. Mujumdar , Christopher Yap[6]研究发现一个有趣的现象,尽管出
口被堵塞,但是最高温度并没有上升。不同之处是,被堵塞的出口附近温度有一点点的升高。
这表明对于树状微通道尤其是当分支次数较多时,部分通道的堵塞对冷却性能的影响远比平
行管微通道和盘管微通道的要小。这也意味着树状微通道冷却系统的可靠性较高。
图 2-7 当某些出口堵塞时中间界面上的温度分布(图中黑色区域表示堵塞部分;单位:K)
2.4 叶顶间隙和通道内部肋片
Jung Yim Min,Seok Pil Jang,Sung Jin Kim[7]研究表明通道顶部间隙对微通道的冷却性能
也有影响。顶部间隙对热沉传热现象有两个方面的影响,首先由于顶部表面传热系数的增大
导致传热效率的提高;其次,由于旁路效应导致传热效率的降低。图 21 为有顶部间隙微通
道热沉的示意图。
总的热阻是肋的热阻和流体热阻之和。公式如下:
fin flow
q q q
= +
(1)
肋的热阻包括肋表面的导热热阻和肋之间的对流热阻。
max b
fin
T T
q
q
-
=
(2)
式中和分别是热沉底部的最高温度和体积平均温度。
流体热阻导致了冷却介质从入口到出口的温升,由能量守恒可得:
.
1b in
flow
p
T T
q
mC
q
-
= =
(3)
式中分别是进口温度、比热容、质流量。
这里我们把泵功固定作为一个限定条件,在这个条件下,质流量并不固定而是随着系统
的阻力变化而变化。
图 2-8 有顶部间隙的微通道热沉示意图
(a)微通道热沉;(b)计算范围。
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猫一样的女子245
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