高密度组装电子设备冷却技术应用研究

李晓明 张丰华 焦超锋

摘 要：随着电子设备组装密度越来越高，如何处理在运行过程中产生的热量，一直都是研发过程中要重点关注的焦点。本文将在传统的高密度组装电子设备冷却技术的基础上，对新型冷却技术进行阐述，同时对其工作原理进行讲解，为高密度组装电子设备散热提供多种整机解决方案。

关键词：高密度组装;电子设备;冷却技术

一、冷却技术简述

工业设备的散热技术其实就是高密度组装电子设备的冷却技术。高密度组装电子设备的冷却原理就是电器散热的原理。当在工业的各种设备运行时温度过高就必然通过降低自己的性能来维护和保护自己。伴随着工业科技的发展，工业自动化的组装的密度也变得越来越紧密。这也就说明了在生产过程中设备的温度会随着生产作业时上升，如果不及时对上升的温度采取措施，电子设备久而久之必定会因此遭到一定损伤。高密度组装电子设备的冷却技术可以及时对设备进行降温，不仅可以保证设备平稳运行，还可以延长设备的使用寿命。在电子设备设计阶段就可以根据电子设备的自身特点和发热元件的类型、发热量、工作环境等因素进行综合分析，并确定采用哪种冷却方式。

二、现阶段面临的冷却技术问题

电子设备进行生产运行时就会产生热量，如何降低设备产生的热量，以及及时对产生的热量进行发散的冷却技术是本文的主要研究目的。其目标是对电子设备内部，所有元件的温度进行控制，使得电子设备在特定的环境下不能超过其最高允许工作温度，保持稳定高效的运行。由于高密度组装电子设备芯片密度高、热量比较集中、工作环境恶劣，再加上元器件成本和选择等因素的影响，很多的工业档器件在恶劣环境中使用，因此冷却系统也变得简陋，所以如今的冷却技术面临的问题更加严峻苛刻。

三、高密度组装电子设备的冷却技术

（1）侧壁液冷技术。侧壁液冷技术就在高密度组装电子设备的机柜侧壁设计液冷通道，同时，对侧壁通冷却液，通过热交换，使得机柜侧壁保持一个较低的温度。电子设备芯片产生的热量通过内部模块结构件壳体传导至侧壁，侧壁内部的冷却液吸收热量后将热量带出到电子设备的外部，其工作原理如图1所示。冷却液一般为水、65号冷却液、煤油等，这些材料具有很好的流动性和较大的热熔，在流动过程中可以大量吸收电子设备机柜侧壁的热量，同时将热量带出电子设备外，从而为电子设备提供一个很好的工作环境。

（2）贯通式液冷技术。贯通式液冷技术就是将液冷通道设计至高密度组装电子设备模块结构壳体内部，对壳体通冷却液，通过热交换，使得模块结构壳体保持较低的温度。电子设备芯片产生热量通过界面材料传导至模块结构壳体，再通过散热壳体传导至冷却液中，冷却液吸收热量后将热量带出到电子设备外部，其工作原理如图2所示。冷却液一般同侧壁液冷使用的材料相同。在通液过程中，可以大量吸收模块结构壳体的热量，同时将热量带出电子设备外，从而为芯片提供一个很好的工作环境。相对于侧壁液冷技术，贯通液冷技术可以带走更多的热量。

（3）微通道冷却技术。一般情况下，把当量直径大于1mm以上的通道叫作普通通道，把当量直径小于1mm以下的通道叫做微通道，上述的侧壁液冷技术与贯通式液冷技术中液冷通道为均为普通通道。与普通通道相比，微通道最大优势为：换热面积大，换热效率高。微通道冷却技术在高密度组装电子设备模块集中发热的区域将传统的流体通道设计成微通道，就可以解决局部功耗大的芯片的散热问题。

（4）相变冷却技术。相变冷却技术是利用相变材料由固态融化为液态甚至气态过程中大量吸收热量的原理，从而在一定时间内延缓高密度组装电子设备中的芯片温度上升，从而使得电子设备在一定时间内可以正常工作。相变材料一般具有融化潜热高、比热容高、导热系数高、无腐蚀等特点。

（5）高导热低热阻界面材料。对高导热低热阻界面的材料进行分析，具有非常重要的作用，不仅可以有效传递芯片运行过程中产生的热量，同时这种材料还可以最大限度的减少接触热阻。对其工作原理进行分析，主要目的在于可以为热源在散热过程中，提供良好的散热的路径。高导热低热阻界面材料主要是由硅脂、硅胶、相变化材料、相变化金属等组成，这些材料导热系数很高，并且很软，所以通过在元件和冷板之间安装这种材料可以有效提高高電子设备导热效率和降低热阻，从而保障电子设备的正常运行。

四、结语

综上所述，高密度组装电子设备在运行过程中必须及时进行冷却，可通过降低热耗和选择有效散热方式来控制局部热点。文中对几种新型散热方式的原理进行了详细的论述，在散热方式设计时，应根据设备特点，采用不同的冷却方式来保障设备的正常运转，同时也可通过增加高导热低热阻界面材料等方式降低通路热阻，从而确保电子设备高可靠运行，延长使用寿命，降低运营成本。

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