电子产业主动式散热技术前沿探析

辛华钰 王金帅 叶妍妍

摘要    高集成度的电子芯片对散热有着极为苛刻的要求，现阶段传统散热方式已无法满足，亟需高效、微型、节能的散热装置。基于此，本文从散热原理、散热效能、应用预测三个方面分别对当前较有代表性的前沿散热技术进行探析，力图呈现当前前沿主动式散热技术的大致风貌。

【关键词】电子散热 散热器 主动散热 前沿

1 液体喷雾冷却技术

1.1 原理

雾化喷射冷却技术是通过雾化喷管借助气助喷射或依赖压力喷射使液体雾化，将其强制喷射到发热物体表面，从而冷却。雾化喷射冷却是大量雾化后的微小液滴群撞击被冷却壁面的行为。

液体喷雾冷却技术使用微小液滴从喷嘴喷出，在热源表面形成冷却剂薄膜。当液膜流动或冷却剂蒸发以除去热量时，它可以消除热源到冷却剂的热量。电阻和膜之间的空气二次成核，在某种意义上大大提高了散热效率。

1.2 效能

液体喷射冷却是一种利用液体吸收热量并依靠液体自身流动性带走热量的传热率高的的散热方式，当液流喷射速度达到47m/s时，其散热能力可至1700W/cm2。与之相对，微通道散热密度则为790W/cm2（水的单相换热）。

1.3 应用预测

雾化喷射冷却作为高热流强制冷却技术有极高的应用价值，其换热强烈，具有很高的临界热流密度值，且冷却面相对均匀，适用于一些对温度要求相对严格的领域。

2 微型蒸气压缩制冷技术

2.1 原理

一种蒸汽冷却系统，对于每种类型的流体，蒸发压力都需要一个特定的蒸发温度。如果流体受到的压力低于其蒸发压力，流体将开始沸腾。在急速冷却设备中，要冷却的介质仅有一小部分会被蒸发（蒸汽流[kg/s]）。此过程需要的热能从剩余的介质中获取：其温度将一直下降到沸腾温度（已处于较低压力）为止。蒸汽流将热能从被冷却的介质传导至冷凝器，从而将热能转移到另一个系统（热使用者、重新冷却系统等）。

2.2 效能

微型蒸气压缩制冷装置重量2.75kg，在环境温度55°C、提供的冷水温度为24°C的条件下，制冷量达到215W，COP达到2以上。

2.3 应用预测

微型蒸气压缩制冷系统可用于地面部队，坦克装甲车以及战斗机内的驾驶员和士兵。同时微型蒸气压缩制冷系统还可用于卫星、直升机的电子冷却系统中。

3 热电制冷技术

3.1 原理

热电制冷，也称为半导体制冷或热电制冷，是基于1834年发现的珀耳帖效应的热力学原理的新兴制冷方法。总热点效应包括五种不同的效果。

热电制冷器不具备冷却能力，只是通过电来形成温差。从能量守恒角度来看，热电制冷器会增加整个系统的能耗和热耗。对于结构尺寸已经限定的设备，其价值相对有限。

通過温度差将热电效应直接转换为电压，这意味着当温度梯度移动时，当被加热物体中的电子从高温区移动到低温区时，发生电流现象，反之亦然。当通过直流电时，获得热电能量转换特性。该材料产生称为热电冷却的冷却功能。该效果可用于产生用于测量温度，加热或冷却物体的电能。热测试中最关键的测量工具-热电偶的测温原理是热电效应。

3.2 效能

热电制冷器HCTEC1-12709，最大电流9A，最大温度差67°C，最大制冷量80W。

3.3 应用预测

热电制冷技术的主要优势是外形尺寸小、重量轻、无摩擦、无噪声、控制精准，不存在制冷剂泄漏存在的污染问题。近年来，热电制冷技术的不断提高，热电温控已在航空航天、电子设备冷却、空间实验技术以及生物工程技术等领域得到了广泛的应用。

4 空气离子风散热技术

4.1 原理

离子风冷却系统是一种从电子设备吹出的电气流。控制电磁场以控制空气流动路径，并且为最需要冷却的位置提供可调节和动态的散热模式。

一种金属切削加工喷雾冷却装置，通过控制阀与雾化器的进液口连接，雾化器的进气口通过进气口与外部压缩空气源连接。阀门和进气管，雾气化学装置的雾化冷却剂出口通过压力表和喷雾软管连接到喷嘴，雾化器中的雾化孔分别连接到液体入口，进气口和雾化器的雾化冷却剂出口。

4.2 效能

从理论上讲，离子风散热器可以产生高达2.4米/秒的空气流速，而普通风扇只能产生0.7到1.7米/秒的风速。借助热管，与传统的散热技术相比，离子风冷技术的散热效果可提高250%。以毫瓦为单位的低功耗，减少边界层，可以提高对流效率。

4.3 应用预测

目前不少厂商已经在离子风散热技术原理之上推出了形形色色的方案，开始将此技术引入到商品化阶段。比如美国松恩微科技公司早在2008年就推出了基于此技术的RSD5离子风散热器。它所产生的风量是传统小型机械风扇的三倍，而尺寸只有其四分之一。而全球电子产业微型化技术供货商Tessera也推出了EHD，电子液动力）散热方案。其表面积只有3平方厘米，完全可以安装到标准笔记本中。

参考文献

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