Thermal Management A Broad Overview of Cooling Techniques

由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案

在电子领域中，热量会严重缩短设备的使用寿命。因此，带走芯片、LED和逆变器等关键部件中的热量，在不缩短使用寿命的同时维持最优性能就显得尤为重要。根据设备热量密度、空间限制和成本的不同，有许多不同的热管理技术供工程师选择。Some of the general ways to move heat from a system: air/liquid- natural convection, air/liquid- forced convection, solid state, and 2-phase cooling.

固态冷却

固态冷却器指通过珀尔帖效应，将热量从半导体一端带到另一端的半导体器件。与其它冷却方式相比，固态冷却的效率较低。此外，因其材料会随时间而失效，其使用寿命也非常有限。However, they are used when a device requires no moving parts or liquids, has a relatively low heat density (<150W/cm2), or is in need of a compact cooler.

Broad Overview of Cooling - Solid State Cooling

空气或液体自然对流冷却

首先我们必须区分自然对流和强制对流。自然对流是指，热体周围的空气/液体因温度变化引起的自然密度差而流动。强制对流指，热体周围的空气/液体在外力的作用下的流动。下图说明了这种不同：

Convection Cooling
来源：Quora.com

The heat transfer coefficient, h, is the proportion coefficient “between the heat flux and the thermodynamic driving force for the flow of heat” (or the temperature difference), and is typically in W/m2K (however, it can also be defined over an area of cm2). It is used to calculate the heat transfer of the system and is useful in comparing the effectiveness of various cooling methods. 自由对流气体的平均h值通常为10 W/m2K（0.001 W/cm2K），而液体则在1000 W/m2K（0.1 W/cm2K）左右。虽然液体的传热系数更高，但出于显而易见的原因，其在自然对流冷却中的应用并不如空气这样广泛。LED和部分PC等低功率电子产品中常用的方法是翅片散热底板。散热底板通常采用的是铝或铜等热导性材料，而翅片能够增加其散热表面积。虽然这种冷却方法不如液体冷却那般有效，但却非常经济实惠。在需要精打细算时，如市政LED街灯等，这种冷却方法已经够好了。

空气或液体强制对流冷却

与自然对流相比，空气/液体强制对流的传热系数最多可以达到前者的10x倍。这种方法通常是用于计算机和高热量密度电子应用中。空气强制对流通常会用到自然对流所用的翅片型散热底板，但也会用风扇使翅片上的空气流动。虽然这种冷却方法并不昂贵，但风扇会增加电子器件的功耗（会损害电池驱动电子器件）。

液体强制对流冷却是使液体直接流经加热表面（这种浸没式冷却技术被用于电子行业的小型独立数据中心），或流过直接接触热源的散热底板。散热底板的内部设计在其散热性能上起到重要作用。举个例子，一种简单设计（一根管道从散热底板中间穿过）的散热性能要远低于内部结构复杂的散热底板（如翅片或接口/翅片），因为两种设计中的液体流体动力学不同。但是，拥有内部工程设计的散热底板的成本将更高，这也是影响部分器件设计的一个因素。最后，液体强制对流冷却会使系统变得更为复杂，因为其需要一种水泵系统使液体循环。虽然液体强制对流更加有效，它为系统带来的额外成本和复杂性使其无法引起部分电子应用领域的兴趣。

相变式液体冷却

这种冷却技术通过液体的相变性质实现更好的散热性能。当液体沸腾时，其吸收的热量远大于对流吸收的热量。下图对这种冷却方法、液体和空气强制对流冷却和液体自然对流冷却进行了比较：

2 Phase Liquid Cooling
来源：TechPowerUp

相变式液体冷却既可以用泵，也可以被动冷却，后者更为常见。For example, heat pipes are a common passive 2-phase cooling method used for electronics. They effectively move heat away from temperature sensitive areas such as chip. 其中可以采用各种不同的液体，是一种较为便宜、简单、密封的设计，可根据电子器件的设计限制做成各种尺寸和形状。

被动相变式冷却器的设计可以简单如重力驱动热虹吸器，也可以复杂如毛细崩环或脉动热管，其复杂程度会体现在成本上。这也是为什么热管如此常见，而其它两种被动相变式设计不太受欢迎的原因。

电子器件采用的其它主动相变式冷却系统包括浸没冷却（低沸点绝缘液体，类似于上述小数据中心采用的强制对流冷却法，但其BP液体较低，元件内部装有冷凝器），向热源直接喷洒绝缘液体或向散热底板间接喷洒，或引导液体流过电路板上的通道以直接冷却电子部件。虽然这些方法对于为电子器件散热非常有效，但它们成本高昂且会带来很高的复杂性。