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pengjie

木虫 (著名写手)

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[资源] 【原创】【前沿】电子设备冷却

一、常用的的电子设备冷却方式主要有:
1、空气自然对流
这种冷却方式是通过传导、对流、辐射将热量散发到周围的介质中去，从而达到散热的目的。在热设计中应尽量减少各接触面的热阻，改善自然风道，增大散热面积和辐射面。
2、强迫对流
当热流密度较大时，空气自然对流冷却已经不能满足设备的冷却要求，强迫对流空气对流楞伽由于设计简单、使用方便以及低廉的成本等优点得到了很广泛的应用。
3、液体冷却
液体冷却方案中有直接液体冷却和间接冷却两种。
   直接液体冷却
   直接液体冷却中，电子器件或者直接浸在惰性液体（如碳氟化合物）池中，或者直接烧到惰性液滴、喷流等冲击。例如液体冷却的一种碳氟化合物浸没蒸发冷却方式，组件内各芯片的热量传导浸没他们的碳氟化合物蒸发液中，在通过蒸发液传到组件内部壁上设置的内肋片，最后经壁体外部的水冷板或散热器将热量带走。液体冷却可以是单相的，也可以使两相的，气液相变的冷却由于利用了冷却剂潜热，所以冷却效果更好。直接液冷的实验效果可以到达800 瓦/平方厘米。由于直接液冷采用碳氟化合物和特殊的封装结果，成本较高，同时控制要求高，可靠性差，因此在商用中的比例很小。
   间接液体冷却
   由于直接液体冷却存在热滞后引起的热激波现象以及系统维护不方便等原因，所以最近正在被间接冷却所取代。间接液体冷却中，热量从芯片经导热传到液冷冷板，也冷冷板起着支撑和热交换的双重作用。液体也可以利用气液相变来冷却冷板。
二、新出现的电子设备冷却方式有：
新出现的高效冷却技术
电子设备的微型化及特殊用途有时要求一些的冷却方式，其中研究较多的有微通道冷却，毛细管抽吸（CPL）冷却及热点制冷，热管传热冷却等。
1、微通道冷却
   在定向硅片或者在基板上利用各向异性蚀刻等技术制造出微尺度通道，液体在流过通道时通过蒸发或者直接将热量带走。它是利用微尺度换热的特性来达到高效冷却的目的。研究表明，液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一个高度不平衡状态，具有很大的换热能力，通道壁面过热度也比常规尺寸下的情况要小的多。而且实验正面冷却即使是单相流经微通道，其冷却效果也比常规尺寸下利用液体核态沸腾来冷却时要好的多。国外以Cu,Si等为蚀刻材料的微通道热沉技术已在大规模集成电路，高功率激光器上采用。
   2、热电制冷
   热电制冷时建立在帕尔贴效应基础上的一种电制冷方法。它的优点是无噪声和振动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂，制冷量和制冷速度可通过该没电流的大小来调节。它在恒温和功率密度大的系统中得到了广泛应用，同时还可以用来冷却低温超导电子器件。克服该制冷器冷量小和制冷系数低的不足，提高该制冷器能效比及其经济性，是热电制冷设计和使用的关键。
   3、热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，热管的导热过程，对流，辐射。冷凝等各种过程，典型的热管具有以下基本特性。
1）很有的传热特性热管内部主要靠工作液体汽，液相变传热，热阻很小，因此具有很高的传热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高传热性也是相对而言的，温差总是存在的，不可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限。
2）优良的等温特性  热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
3）热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以教的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样既可以改变热量密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。
4）热流方向的可逆性一根水放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可以作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度辗平，可以用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置
5）热二极管与热开关性能  热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这个温度时，热管就不传热。
6）恒温特性  普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变化，因此加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。但是人们发展了另外一种热管—可变热导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随着加热量的减小而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。
7）环境的适应性  热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、钻头、手术刀等等。热管也可做成分离式的以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下换热；热管既可以由于地面（重力场），也可用于空间（微重力场）。
   随着热管技术的持续发展及应用，热管散热已经成为一种很有前途的新型散热方式。热管工作时液体工质在蒸发段加热蒸发，其蒸气经过绝热段流向冷凝段，在冷凝段蒸汽被管外流体冷却放出潜热，凝结为液体体积聚在冷凝段液芯中，凝结液借助吸液芯的毛细力的作用返回到加热段在吸热蒸发。热管传热能力很大，当量导热系数大，而且可以制造成体积很小重量很轻的产品。但同时要考虑热流密度、流动阻力、毛细压差对其传热能力的限制。现在的有关研究大多集中在微型热管的高效传热上。正是有了这些独有的优点使得热管技术在电子设备冷却领域发展速度很快。最常见的是笔记本的cpu散热、太阳能热水器的导热部分。
   一些特殊的热管（比如环路热管LHP,毛细泵CPL等）在太空领域应用广泛，航天飞机、卫星、空间站等都有热管的应用。个人认为热管技术是将来电子冷却方面将来发展的一个重要的方向，其前景光明！
我的研究方向是有关飞机上的电子设备冷却，如果哪位虫友的专业也是这个方向请下去联系，本人也想多认识几个这方面的朋友！

[ Last edited by 三个小石子 on 2010-8-25 at 15:28 ]

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