國外電子設備空氣冷卻技術研究的新進展

周堯， 田灃， 張豐華， 楊明明

（西安航空計算技術研究所，西安 710119）

0 引 言

隨著微電子技術的迅速發(fā)展，電子元器件集成度越來越高，電子設備總功耗越來越大而物理尺寸卻越來越小，這導致電子設備熱流密度迅速增加，散熱問題已經(jīng)成為電子設備性能進一步提高的主要障礙[1]。熱管理技術在過去的數(shù)十年里發(fā)展迅速，主要包括空氣冷卻、液體冷卻、壓縮機制冷、相變冷卻等。液體冷卻、壓縮機制冷等技術雖然具有很強的冷卻能力，但使熱管理系統(tǒng)的重量、體積、復雜度和耗能增加，成本上升、可靠性下降，在許多電子設備上，空氣冷卻的應用更為廣泛。得益于MEMS（Micro Electro Mechanical System）及微納米材料技術的快速發(fā)展，近年來國外研究機構在空氣冷卻技術方面取得了眾多成果，國內(nèi)的研究進展相對緩慢。

1 電子設備的空氣冷卻方法

空氣冷卻是指以空氣作為介質(zhì)傳遞熱量的散熱方式?？諝饫鋮s以牛頓冷卻公式為基本計算公式，其散熱能力與換熱系數(shù)、換熱面積、固體壁面與空氣的溫度差有關，即對流換熱量可由下式計算：

式中：α為對流換熱系數(shù)；A為換熱面積、Δt為固體壁面與空氣的溫度差。由式（1）可見，提高空氣冷卻散熱能力的方法主要是增大換熱面積、提高對流換熱系數(shù)和增加固體與空氣的溫度差。在實際工程中，主要采用肋片（或稱翅片）來擴大換熱面積，一般采用鋁、銅等金屬材料加工成片狀、針狀等型式，作為發(fā)熱電子器件與周圍空氣間的換熱器。

2 國外研究進展

21世紀初，Acikalin等[2]對壓電風扇換熱器的冷卻性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)使用壓電風扇換熱器冷卻與使用傳統(tǒng)的自然對流冷卻相比，前者導熱率比后者高出1倍以上。隨后，Acikalin等[3]對壓電風扇產(chǎn)生的噴射型氣流的熱力學特性進行了試驗和仿真研究。研究表明，相對于自然對流散熱，壓電風扇散熱可以使導熱率提高275%。Wait等[4]對壓電風扇冷卻性能進行了試驗研究和數(shù)學分析，發(fā)現(xiàn)壓電片在高階模態(tài)上振動能夠增強空氣的混合作用從而提高冷卻性能，但同時會帶來更大的能量消耗。Gerty等[5]對集成在空氣流道中的壓電振動片對散熱性能的提高進行了研究，發(fā)現(xiàn)壓電振動片對于流道中流場能夠產(chǎn)生影響，起到強化散熱的作用。

Hidalgo等[6]提出了一種集成了風機、散熱翅和振動簧片的增強換熱器（如圖1），該換熱器在螺旋狀散熱翅片頂板集成一個離心風機，在翅片間制作有振動簧片，換熱器能夠在低風速條件下起到增強換熱的作用。研究表明，該增強換熱器性能系數(shù)比一般換熱器高出1.4倍。

Herrault等[7]研究了一種MEMS增強的自振蕩簧片空氣換熱器（如圖2），在換熱器翅片流道中的振動簧片可以在低雷諾數(shù)流動中產(chǎn)生小范圍的運動，提高換熱效率，研究了換熱器流場雷諾數(shù)與壓降、簧片位置與翅片溫度等熱力學、流體力學特性，結果顯示，與自然對流換熱器相比，其散熱性能提高了250%。

圖1 集成了風機、散熱翅和振動簧片的換熱器

Kariya等[8]提出了一種銅微結構毛細吸液芯熱管結構，用于空氣換熱器，如圖3所示，并研究了不同直徑顆?；旌蠈τ谧畲竺殙毫蜐B透率的影響。

圖2 自振蕩簧片散熱器

圖3 熱管換熱器原理

Kariya等[9]建立了上述空氣換熱器的數(shù)學模型，以研究散熱器的熱阻，并將數(shù)學模型與實驗結果進行了比較。Allison等[10]對上述空氣換熱器的熱力學特性進行了試驗研究，并通過無量綱的經(jīng)驗模型進行了計算分析。研究表明，該空氣換熱器在無量綱熱流量為48時，幾乎是同樣空氣質(zhì)量流量的傳統(tǒng)風扇換熱器熱傳遞率的兩倍。

Taiho Yeom[11]對一種用于電子設備冷卻的壓電式平動流體擾動換熱器進行了研究（如圖4），壓電平動擾動片能夠產(chǎn)生高頻的、大位移運動，這一運動是由帶有壓電作動器的橢圓環(huán)殼產(chǎn)生的（如圖5），橢圓環(huán)殼的作用是將壓電作動器的小位移放大至幾毫米，通過理論和實驗分析，研究了該裝置振動力學和傳熱學特性。研究表明，與普通散熱器相比，上述空氣換熱器散熱性能大幅提升。

圖4 壓電式平動流體擾動換熱器

圖5 帶有壓電作動器的橢圓環(huán)殼

3 結語

與其它冷卻技術相比，空氣冷卻具有可靠性高、系統(tǒng)簡單、成本低等優(yōu)點，目前其冷卻性能仍具有很大的提升潛力。本文介紹了空氣冷卻技術的研究現(xiàn)狀，指出了提高空氣冷卻性能的主要途徑，并介紹了國外研究機構在空氣冷卻技術方面取得的新進展。隨著MEMS技術的快速發(fā)展，利用MEMS技術開發(fā)新型空氣冷卻技術、提升空氣冷卻性能，將使空氣冷卻這一傳統(tǒng)的冷卻技術獲得更大的發(fā)展。

［參考文獻］

[1] 李慶友，王文，周根明.電子元器件散熱方法研究[J].電子器件，2005，28(4):937-941.

[2] ACIKALIN T,WAIT S M,GARIMELLA S V,etal.Experimentalinvestigation ofthe thermalperformance of piezoelectric fans[J].Heat Transfer Engineering,2004(25):4-14.

[3] ACIKALIN T,GARIMELLA S V,RAMAN A,etal.Characterization and optimization of the thermal performance of miniature piezoelectric fans[J].Microbiology,2007,28(4):806-820.

[4] WAIT S M,BASAK S,GARIMELLA S V,et al.piezoelectric fans using higher flexural modes for electronics cooling applications[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,2007,30(1):119-128.

[5] GERTY D.Fluidic-driven Cooling of Electronic Hardware:Part I:Channel Integrated Vibrating Reed;Part II:Active Heat Sink[D].Georgia Institute of Technology,2008.

[6] HIDALGO P,HERRAULT F,GLEZER A,et al.Heat transfer enhancement in high-power heat sinks using active reed technology[C]//International Workshop on Thermal Investigations of ICS and Systems.2010:1-6.

[7] HERRAULT F,HIDALGO P A,JI C H,et al.Cooling performance of micromachined self-oscillating reed actuators in heat transfer channels with integrated diagnostics[C]//IEEE,InternationalConference on MICRO Electro Mechanical Systems.2012:1217-1220.

[8] KARIYA H A,KOVEAL C,ALLISON J,et al.A capillarypumped loop heat pipe with multi-layer microstructured wicks[J].International Workshop on Micro&Nanotechnology for Power Generation&Energy Conversion Applications.2009.

[9] KARIYAHA,STAATSWL,HANKSDF,etal.Scalingtheperformance ofanair-cooledloopheatpipewiththeadditionofmodularcondensers[C]//Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems.2012:828-833.

[10]ALLISON JM,STAATSW L,MCCARTHY M,etal.Enhancement of convective heat transfer in an air-cooled heat exchanger using interdigitated impeller blades[J].International Journal of Heat&Mass Transfer,2011,54(21–22):4549-4559.

[11] Taiho Yeom.A Piezoelectric Translational Flow Agitator for Active Air Cooling of Electronics[D].The University Of Minnesota,2012.