目前电子产业发展迅速,追求着更高的性能,更小的体积,更高的集成度。但散热问题越来越严重。尤其是对于各类电子器件的CPU而言,CPU工作环境温度过高时将严重影响其工作稳定性,更有甚者会降低使用寿命。有研究表明,单个电子元件的工作温度如果升高10℃其可靠性则会减少50%,而CPU失效问题的55%都是由于过热引起的[4]。刘一兵等[5]提出目前电子系统中常用的冷却方法有:自然或者强迫对流风冷,空气冷板(加散热片的强迫风冷)以及强制间接液冷和蒸发相变冷却等,在有些情况下可以结合多种方式进行散热。余小玲等[6]对各种方式的传热能力进行了分析,指出有相变过程的换热方式会有最高的散热能力。朱可[7]提出当电子设备热流密度超过0.08w/cm2时仅仅靠自然风冷已经不能将热量按要求散出。但是在风冷散热方式中元件之间可能产生涡流,这样会降低散热能力,G.I.Sultan为解决上述问题而提出可以在元件之间设置抽气孔来加强散热,或者在其中加入扰流片来减少漩涡对散热的影响,从而使散热能力的到提升。杨旭等[8]对经常使用的风道进行了研究,设计了多种有代表性的强制风冷数热系统,并对其做了大量实验,测定了热阻。通过比较实验数据并对其进行分析总结,得出了风道设计的指导原则。以下是常见的几种散热方式:30760
(1)风冷与水冷技术
在风冷的散热方式中强制风冷的散热效果是远好于自然风冷的,是常规散热方式中较可靠的,低功率电子设备使用风冷较多[9]。可以通过增大散热面积和加大风量的方式来提高散热能力,还可以和翅片散热器,热管集合起来以达到较好的散热效果。风冷散热方式成本低,但是需要较大的设备体积,虽然较为方便但是对于向微型化发展的电子器件来说风冷的散热方式局限性太大。
相较于风冷,水冷技术能更好的将热量散发。水冷法使用密封良好的水槽贴在发热体表面,通过水的流动循环将热量带走。吕玉坤等[10]对台式机水冷系统的换热能力和阻力特性进行了理论分析,提出CPU吸热盒内的热交换量随流量的增加先增大后减小。水冷方式的换热系数远远大于风冷的换热系数,但却需要复杂的冷却设备,并且有可能产生漏水和结露现象而导致器件故障,可靠性不如风冷方式。论文网
(2)热管散热技术
热管散热是利用工质的气态液态的相互转变来传递热量的技术。其原理是通过工质在高温处吸收热量然后相变成气态,再通过循环在冷端放热凝结成液态,从而将热量散发出去。热管具有良好的导热性(甚至是相同尺寸铜管的几十倍以上)、等温性和热流密度可变性,另外也可以适应各种不同的环境。并且热流方向具有可逆性,受热的为蒸发段,另一散热端则为冷凝段。热管可做成热二极管,这与电子器件中的二极管有相似之处,它可以允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动。刘晓红[11]证明了在较小的电子设备中使用热管散热技术,能很好地将热量散发出去,极大地增强散热能力。由于热管传热能力很强,导热系数大所以可制造出体积很小但散热能力很强的散热设备,但会受到热流密度、流动阻力、毛细压差等因素的限制。热管散热是目前中小型电子设备中应用最广的散热方式。
(3)热电冷却技术
热电制冷技术是基于珀耳帖效应实现的[12]。热电能量转换是指当导体或半导体中存在温度或者电势梯度的情况下,其中电子或者空穴产生定向迁移,能在电能与热能之间实现互相转换的技术[13]。随着半导体热电材料的迅速发展热电技术在热量再利用、小功率制冷、测温控温、航空航天等领域得到了广泛的应用[14]。热电制冷是种新型的制冷技术,它有很多优点是其他散热技术不具备的,如不需要冷却剂、设备部件小,以及能较为精确的控制温度等,非常适合应用于电子器件的冷却散热[15]。刘大为等[16]指出在温差很小的情况下也可以利用热电技术发电,这大大提升了利用范围。对降低电子设备的能耗问题提供了帮助。Aniruddha Pal和Yogendra Joshi[17]介绍了利用硅芯片本身作为一个热电冷却器来抑制热点的温度,通过建立硅芯片的三文解析热模型进行传热试验,来测试其冷却性能。
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