新型液冷技术简介.pdf

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1、2011年机械电子学学术会议论文集2011年9月新型液冷技术简介张根烜，杨双根，关宏山(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088)摘要：散热问题是电子设备设计的一个关键问题。针对高热流密度电子设备的散热，本文对微通道液冷、液体喷流和喷雾冷却、热管冷却、振荡液冷等新型液冷技术的原理及其研究现状进行了概述。关键词：电子设备散热；热流密度；液体冷却ReviewofNewLiquidCoolingTechniquesZHANGGen-xuan,YANGShuang-gen,GUANHong-shan(The38thResearchInstituteof

2、CETC，Hefei230088，China)Abstract:Electronicscoolingtechniqueisamajorconcerninitsdesign.Therecentdevelopmentinliquidcoolingtechniquesforhigh-heat-fluxthermalmanagementisexploredinthispaper.Coolingschemessuchasmicrochannelheatsink,liquidjet-impingement,spray,heatpipe,oscillatingliquidh

3、eattransferarediscussedrelatedtoheattransferprincipleandstateofthearts.Keywords:electronicscooling；heatflux；liquidcooling足其散热要求，液体冷却因高效紧凑的特点在高热引言流密度电子设备的散热上得到了广泛的应用，成为随着微电子技术和芯片工艺的日趋成熟和新国内外的研究热点，图1为不同冷却形式和冷却剂[3]型芯片材料的涌现，电子元器件的小型集成化已经的散热极限图。成为电子设备的主要发展趋势，元器件的热流密度迅速攀升，某些芯片的热流密度目前已经超过2

4、150W/cm，普渡大学CTRC研究中心大胆预测，未来全数字雷达T/R组件的热流密度将可能超过2[1]500W/cm。考虑到电子设备的失效超过55%是由[2]温度过高引起的，电子行业的发展势必需要热可靠性设计和高效冷却技术提供技术保障。热设计包括选择合适的冷却形式和冷却剂，优化排列电子器件，布置冷却剂循环以及组织环境散热等。目前，比较成熟的冷却方式主要有以下几类：1）空气冷却技术（包括自然和强迫冷却）；2）液体冷却技术（包括单相和相变冷却）；3）固体升华冷却技术；图1不同冷却形式的散热极限图4）其他冷却技术（如热电冷却，热电离子冷本文对微通道液冷、液体喷流和喷

5、雾冷却、热却、热声冷却等）。管冷却、振荡液冷等几种新型高效液冷技术的原理在高性能超级计算机、微型动力装置、电子推及研究现状作简要介绍，以期能引起国内军用民用进、微波器件以及军用航空电子等电子设备中应用电子行业对热设计和液冷技术的关注。高热流密度芯片越来越普遍，空气冷却己经不能满2011年机械电子学学术会议论文集2011年9月微通道热沉和换热器。国内的一些大学和科研院所1微通道液冷也开展了微通道液冷的机理和实验研究，通过仿真微通道一般是指水力直径位于10μm到1mm之和试验证明了某屋脊式微通道散热器能实现热流2间的通道。可以采用光刻、化学刻蚀、电火花加工、密度位

6、于500W/cm的二极管激光器列阵的散热，2离子束加工、精细线切割以及钻石切削等技术，在并取得了50W/cm以上热流密度的芯片级和组件硅片、金属薄片以及其他材料基板上制造出流动微级的散热应用成果。槽，再经键合封装形成封闭的冷却通道，液体工质在通道内直接或发生相变将热量带走，利用通道的微尺度换热特性来达到高效冷却的目的。研究表明，流量一定时，矩形通道中单相液冷的层流对流[3]换热系数与通道水力直径成反比，见图2。图3微通道换热器示意图2喷流和喷雾冷却喷流冷却和喷雾冷却由于具有较高的传热速率、自由的结构形式和良好的可控性，近年来受到了广泛的关注，它们分别利用从喷嘴

7、喷出的高速冷图2微通道液冷的尺度效应图却液和雾状液滴从电子器件表面带走热量，图4为喷雾冷却示意图。喷雾冷却更易于在电子器件表面1981年，Tuckerman和Pease加工出槽宽和槽发生相变换热，从而进一步提高换热系数，所需冷厚均为50μm左右、槽深300μm左右的平行多路硅却液流量较低，但对应喷嘴的压降较高；喷流冷却微通道结构，利用水为冷却剂，在温升71℃时获得2[4]在电子器件表面的冷却有严重的不均匀性，只在射了790W/cm的散热能力。Swift等在1995年申请[5]流撞击表面时的冷却效果较好，但容易在强沸腾的了一项叉流式微通道换热器的专利，图3为其结

8、撞击区域产生壁面液层分离。相比较而言，