電子產業主動式散熱技術前沿探析

辛華鈺 王金帥 葉妍妍

摘要??? 高集成度的電子芯片對散熱有著極為苛刻的要求，現階段傳統散熱方式已無法滿足，亟需高效、微型、節能的散熱裝置。基于此，本文從散熱原理、散熱效能、應用預測三個方面分別對當前較有代表性的前沿散熱技術進行探析，力圖呈現當前前沿主動式散熱技術的大致風貌。

【關鍵詞】電子散熱 散熱器 主動散熱 前沿

1 液體噴霧冷卻技術

1.1 原理

霧化噴射冷卻技術是通過霧化噴管借助氣助噴射或依賴壓力噴射使液體霧化，將其強制噴射到發熱物體表面，從而冷卻。霧化噴射冷卻是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為。

液體噴霧冷卻技術使用微小液滴從噴嘴噴出，在熱源表面形成冷卻劑薄膜。當液膜流動或冷卻劑蒸發以除去熱量時，它可以消除熱源到冷卻劑的熱量。電阻和膜之間的空氣二次成核，在某種意義上大大提高了散熱效率。

1.2 效能

液體噴射冷卻是一種利用液體吸收熱量并依靠液體自身流動性帶走熱量的傳熱率高的的散熱方式，當液流噴射速度達到47m/s時，其散熱能力可至1700W/cm2。與之相對，微通道散熱密度則為790W/cm2（水的單相換熱）。

1.3 應用預測

霧化噴射冷卻作為高熱流強制冷卻技術有極高的應用價值，其換熱強烈，具有很高的臨界熱流密度值，且冷卻面相對均勻，適用于一些對溫度要求相對嚴格的領域。

2 微型蒸氣壓縮制冷技術

2.1 原理

一種蒸汽冷卻系統，對于每種類型的流體，蒸發壓力都需要一個特定的蒸發溫度。如果流體受到的壓力低于其蒸發壓力，流體將開始沸騰。在急速冷卻設備中，要冷卻的介質僅有一小部分會被蒸發（蒸汽流[kg/s]）。此過程需要的熱能從剩余的介質中獲取：其溫度將一直下降到沸騰溫度（已處于較低壓力）為止。蒸汽流將熱能從被冷卻的介質傳導至冷凝器，從而將熱能轉移到另一個系統（熱使用者、重新冷卻系統等）。

2.2 效能

微型蒸氣壓縮制冷裝置重量2.75kg，在環境溫度55°C、提供的冷水溫度為24°C的條件下，制冷量達到215W，COP達到2以上。

2.3 應用預測

微型蒸氣壓縮制冷系統可用于地面部隊，坦克裝甲車以及戰斗機內的駕駛員和士兵。同時微型蒸氣壓縮制冷系統還可用于衛星、直升機的電子冷卻系統中。

3 熱電制冷技術

3.1 原理

熱電制冷，也稱為半導體制冷或熱電制冷，是基于1834年發現的珀耳帖效應的熱力學原理的新興制冷方法。總熱點效應包括五種不同的效果。

熱電制冷器不具備冷卻能力，只是通過電來形成溫差。從能量守恒角度來看，熱電制冷器會增加整個系統的能耗和熱耗。對于結構尺寸已經限定的設備，其價值相對有限。

通過溫度差將熱電效應直接轉換為電壓，這意味著當溫度梯度移動時，當被加熱物體中的電子從高溫區移動到低溫區時，發生電流現象，反之亦然。當通過直流電時，獲得熱電能量轉換特性。該材料產生稱為熱電冷卻的冷卻功能。該效果可用于產生用于測量溫度，加熱或冷卻物體的電能。熱測試中最關鍵的測量工具-熱電偶的測溫原理是熱電效應。

3.2 效能

熱電制冷器HCTEC1-12709，最大電流9A，最大溫度差67°C，最大制冷量80W。

3.3 應用預測

熱電制冷技術的主要優勢是外形尺寸小、重量輕、無摩擦、無噪聲、控制精準，不存在制冷劑泄漏存在的污染問題。近年來，熱電制冷技術的不斷提高，熱電溫控已在航空航天、電子設備冷卻、空間實驗技術以及生物工程技術等領域得到了廣泛的應用。

4 空氣離子風散熱技術

4.1 原理

離子風冷卻系統是一種從電子設備吹出的電氣流。控制電磁場以控制空氣流動路徑，并且為最需要冷卻的位置提供可調節和動態的散熱模式。

一種金屬切削加工噴霧冷卻裝置，通過控制閥與霧化器的進液口連接，霧化器的進氣口通過進氣口與外部壓縮空氣源連接。閥門和進氣管，霧氣化學裝置的霧化冷卻劑出口通過壓力表和噴霧軟管連接到噴嘴，霧化器中的霧化孔分別連接到液體入口，進氣口和霧化器的霧化冷卻劑出口。

4.2 效能

從理論上講，離子風散熱器可以產生高達2.4米/秒的空氣流速，而普通風扇只能產生0.7到1.7米/秒的風速。借助熱管，與傳統的散熱技術相比，離子風冷技術的散熱效果可提高250%。以毫瓦為單位的低功耗，減少邊界層，可以提高對流效率。

4.3 應用預測

目前不少廠商已經在離子風散熱技術原理之上推出了形形色色的方案，開始將此技術引入到商品化階段。比如美國松恩微科技公司早在2008年就推出了基于此技術的RSD5離子風散熱器。它所產生的風量是傳統小型機械風扇的三倍，而尺寸只有其四分之一。而全球電子產業微型化技術供貨商Tessera也推出了EHD，電子液動力）散熱方案。其表面積只有3平方厘米，完全可以安裝到標準筆記本中。

參考文獻

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