對(duì)液態(tài)冷卻技術(shù)的研究及在無線充電領(lǐng)域的探討＊

王毓延，劉寶君

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，無線充電設(shè)備使用的更加廣泛，以及高密度、高功耗的電子元件的不斷增多，廠商為提高用戶體驗(yàn)，縮短充電所需時(shí)間，普遍采用加大無線傳輸功率來提高充電點(diǎn)速度。由于大功率無線充電裝置具有熱流密度大、散熱空間狹小等缺點(diǎn)造成充電裝置局部過熱、為保證無線充電過程的安全性，不得不降低輸出功率，從而造成充電時(shí)間延長(zhǎng)，降低用戶體驗(yàn)。

現(xiàn)階段無線充電裝置普遍無散熱模塊或采用風(fēng)冷式無線充電，但對(duì)于充電速率更大、熱流密度更大的設(shè)備風(fēng)冷式無線充電一般難以滿足散熱需求，減慢了充電速度從而影響了用戶體驗(yàn)。如今液態(tài)冷卻技術(shù)在諸多領(lǐng)域大展拳腳，尤其在電子技術(shù)領(lǐng)域。液態(tài)冷卻技術(shù)能提供更強(qiáng)的散熱方式和效能，達(dá)到降低溫度、提高充電速度的目的。主要探討液態(tài)冷卻散熱技術(shù)的原理，以及其優(yōu)勢(shì)和在無線充電領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 液態(tài)冷卻散熱功能原理

目前液態(tài)冷卻散熱技術(shù)普遍采用水冷散熱，水冷散熱是液態(tài)散熱系統(tǒng)中的其中一種形式，除此之外還有很多的其他介質(zhì)可以用于液態(tài)冷卻散熱系統(tǒng)。從技術(shù)的角度看液態(tài)冷卻技術(shù)的工作原理就是利用水泵從儲(chǔ)水器中把水抽出來，通過水流管再進(jìn)入水箱，之后再通過水箱另外的一個(gè)口出來，再?gòu)乃芑亓鞯絻?chǔ)水器，往復(fù)循環(huán)，把熱量從顯卡、主板、CPU等散熱量較大的元器件的表面帶走（如圖1所示）。

圖1 液態(tài)冷卻散熱系統(tǒng)工作原理圖

水冷塊是一種內(nèi)部有水回路的金屬塊，由銅或鋁制成，與CPU接觸，吸收CPU的熱量。因此，該部分的功能與風(fēng)冷散熱作用相同，不同的是，水冷塊必須留下一個(gè)通道，供循環(huán)液體通過并完全關(guān)閉，保證如圖2所示。這樣保證了循環(huán)液不會(huì)因?yàn)槁┮涸斐呻娖鞫搪?。循環(huán)液的作用與空氣相似，但吸收了大量的熱量，溫度變化不大。如果液體是水，那就是眾所周知的水冷系統(tǒng)。水泵的作用是促進(jìn)循環(huán)液體的流動(dòng)。這樣，吸收CPU熱量的液體流出 CPU，新的低溫循環(huán)液體繼續(xù)吸收CPU熱量，水管連接水泵、水冷塊和水箱，在循環(huán)液體的封閉通道內(nèi)循環(huán)而不泄漏。這樣，液體冷卻系統(tǒng)可以達(dá)到正常使用的目的。

圖2 水冷塊水道示意圖

水箱儲(chǔ)存循環(huán)液，循環(huán)液在這里釋放CPU的熱量。低溫循環(huán)液再次進(jìn)入裝配線。當(dāng)CPU的熱量較小時(shí)，利用水箱中儲(chǔ)存的大容量循環(huán)液，循環(huán)液的溫度不會(huì)明顯升高。如果CPU的功率很大，需要通過增加熱開關(guān)來進(jìn)行分配。CPU的熱量類似于這里的熱開關(guān)。循環(huán)的液體把熱量大面積地傳遞給散熱器，散熱器的風(fēng)扇把空氣的熱量帶走。

如果是小型密封液體冷卻系統(tǒng)，則省略開放式水箱。液體在泵、冷卻塊和熱交換器之間流動(dòng)，循環(huán)液體在空氣中流動(dòng)，可以防止暴露惡化。

可見，液體冷卻和冷卻本質(zhì)上是一樣的。只有在液體冷卻時(shí)，CPU的熱量才通過循環(huán)液體從冷卻塊傳遞到換熱器。換熱器的采暖面積和采暖環(huán)境均比普通空調(diào)好得多，制冷效果明顯。

液態(tài)冷卻散熱技術(shù)作為一種成熟的散熱技術(shù)，總是廣泛地應(yīng)用于工業(yè)之上，如飛機(jī)引擎的散熱、機(jī)載機(jī)箱的散熱、汽車引擎的散熱等。由于液態(tài)冷卻散熱方式在噪聲控制有著很好的效果，并且液態(tài)冷卻散熱的速度大于空氣散熱的散熱速度，所以液態(tài)冷卻散熱具有優(yōu)良的散熱效果。因?yàn)樵谠肼暱刂坪蜕嵝Ч嫌兄N種的優(yōu)勢(shì)，液態(tài)冷卻散熱技術(shù)慢慢普及開來，當(dāng)今液態(tài)冷卻技術(shù)在個(gè)人計(jì)算機(jī)領(lǐng)域使用的尤為廣泛，近年來液態(tài)冷卻技術(shù)在智能手機(jī)領(lǐng)域漸漸發(fā)展起來，如黑鯊游戲手機(jī)、紅魔游戲手機(jī)等。

2 液態(tài)冷卻散熱對(duì)比風(fēng)冷散熱的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 超靜音

相對(duì)于目前主流的風(fēng)冷散熱，液態(tài)冷卻散熱系統(tǒng)利用散熱管中的冷卻液循環(huán)進(jìn)行散熱。液態(tài)冷卻散熱的一個(gè)極大優(yōu)點(diǎn)就是它可以在不提高氣體內(nèi)部溫度的同時(shí)就可以把熱量吸收并且傳輸出去。從而實(shí)現(xiàn)無風(fēng)扇散熱，也就不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)超靜音的狀態(tài)。

2.2 散熱迅速

液態(tài)冷卻散熱具有熱容量較大、溫度上升的速度慢等特點(diǎn)，可保證在有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，元器件不會(huì)突然升溫突破電子元件可承受的溫度上限以至于燒毀，起緩沖作用。

趙吉志在分析水冷散熱的優(yōu)勢(shì)時(shí)，假設(shè)電子元件功率為40W，在一小時(shí)就可以產(chǎn)生860.076×40=3443.04卡的熱量，要是流經(jīng)水冷裝置的水量為100L/h，那么在不考慮其他方面散熱的情況下，水溫上升了0.344℃。適當(dāng)?shù)乃渴怯绊懮崴氐年P(guān)鍵。再次選用適當(dāng)?shù)乃?，假設(shè)電子元件的功率為40W左右，并且用15L的水不加風(fēng)扇，并且使用10W的沉水泵，在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，經(jīng)過2h之后，水溫上升了3℃，并且達(dá)到了平衡的狀態(tài)?？烧f明水冷方式可有效散熱。

3 液態(tài)冷卻散熱的方式

以對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行液態(tài)冷卻散熱為例，我們可以把在數(shù)據(jù)通信設(shè)備中的液態(tài)冷卻散熱系統(tǒng)認(rèn)為是一種液體的回路，在這之中，需要冷卻的部件如 CPU中的熱量與冷卻液相交換，通常，CPU可提供冷卻系統(tǒng)中所需液體，或者服務(wù)多個(gè)機(jī)架的外部 CDU也可提供。因?yàn)橄胍芎玫亟鉀Q數(shù)據(jù)中心的發(fā)熱問題，產(chǎn)業(yè)界做了大量的嘗試，就目前來說，液態(tài)冷卻技術(shù)主要有三種技術(shù)路線，分別是浸沒式，噴淋式以及冷板式散熱。

3.1 浸沒式液態(tài)冷卻散熱

浸沒式液態(tài)冷卻是今年廣受關(guān)注的一種散熱技術(shù)，并且在全球計(jì)算機(jī)大會(huì)上，相當(dāng)多的國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛推出并且展示了浸沒式液態(tài)冷卻散熱的產(chǎn)品。有著極大的受關(guān)注度。

因?yàn)樵诮]式液態(tài)冷卻散熱中，冷卻液可與發(fā)熱的設(shè)備直接接觸，冷卻液又具有，傳熱系數(shù)高，對(duì)流熱阻低，比熱容大和導(dǎo)熱率打的特點(diǎn)，以至運(yùn)行溫度變化率小，并且浸沒式液態(tài)冷卻散熱無需風(fēng)扇，降低了噪音以及功耗，制冷效率高。所以此液態(tài)冷卻散熱技術(shù)符合對(duì)節(jié)能要求高，并且熱流密度大的計(jì)算機(jī)、大型數(shù)據(jù)中心等機(jī)構(gòu)領(lǐng)域。是一種綠色節(jié)、新型高效的冷卻解決方案。

3.2 噴淋式液態(tài)冷卻散熱

噴淋式液態(tài)冷卻散熱的主要特點(diǎn)是將無腐蝕性的冷卻劑直接噴灑在熱力元件的表面或與熱力元件接觸的膨脹面上，吸收熱量后排出熱力流體，與外部環(huán)境的冷源進(jìn)行換熱。

噴淋式液體冷卻柜系統(tǒng)由噴淋式液體冷卻柜系統(tǒng)、體冷卻服務(wù)器和冷卻劑三部分所組成。室內(nèi)換熱器與噴淋式液體冷卻機(jī)通過管道相連，柜內(nèi)半導(dǎo)體的余熱被冷卻水吸收后輸送至室內(nèi)換熱器和室外換熱器及熱量。在該系統(tǒng)中，服務(wù)器內(nèi)部的加熱部件采用分布式結(jié)構(gòu)。加熱部件的加熱面方向與重力方向不同。服務(wù)器內(nèi)部沒有風(fēng)扇，因此在保存硬盤時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和隔離。噴淋式液態(tài)冷卻系統(tǒng)具有散熱效率高、集成度高、靜音和高效節(jié)能等特點(diǎn)，是一種有效的散熱手段。

3.3 冷板式液態(tài)冷卻散熱

冷板液冷的主要布置是在液冷箱內(nèi)安裝分水裝置，在液冷計(jì)算節(jié)點(diǎn)上設(shè)置出水支管，將支管進(jìn)出口與液態(tài)冷卻計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)出口連接，達(dá)到液態(tài)冷卻計(jì)算節(jié)點(diǎn)中的液態(tài)冷卻循環(huán)。液體在罐內(nèi)回合。儲(chǔ)罐共有兩個(gè)和外部管路相連接的接頭。該連接通道與外部CPU相連，在制冷板的液體冷卻系統(tǒng)的液體冷卻節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行液體冷卻，CPU等大型消耗品由液體冷卻板冷卻，少量其他加熱部件（如硬盤接口卡、硬盤等）依然采用風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)。

冷板式液態(tài)冷卻散與風(fēng)冷式散熱相比，散熱效果和防噪音效果都會(huì)更好。并且因?yàn)槔浒迨揭簯B(tài)冷卻散熱技術(shù)不需要大的水冷裝置，所以布局后降低了所有成本，顯著提高了數(shù)據(jù)中心的能源利用效率。在現(xiàn)有風(fēng)冷技術(shù)下，一方面每個(gè)機(jī)柜的能耗最多只能達(dá)到30kW，在每分鐘60升的流量設(shè)置下，冷板式液態(tài)冷卻散熱可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)機(jī)柜45KW的總能耗，從而實(shí)現(xiàn)更高密度的數(shù)據(jù)中心。

4 液態(tài)冷卻散熱的方案應(yīng)用情況

在1966年，IBM推出了一款高速、高性能，并且大規(guī)模地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算中的system/36091型計(jì)算機(jī)，此計(jì)算機(jī)具有預(yù)測(cè)全球氣候、探索宇宙等能力，以確保前所未有的大型機(jī)器的穩(wěn)定性和效率，IBM專門開發(fā)了液態(tài)冷卻系統(tǒng)，后來又開發(fā)了幾十臺(tái)。多年來，在熱負(fù)荷較低的情況下，風(fēng)冷成本較低，技術(shù)較簡(jiǎn)單，液體和冷空氣逐漸消失。雖然IBM先后采用了3081臺(tái)大型機(jī)械和575秒功率的新型水冷散熱技術(shù)，但直到2010年的7月系統(tǒng)才真正達(dá)到的成熟。作為冷卻介質(zhì)，其冷卻效率是普通風(fēng)的4000倍。用于冷卻后的熱水還可以為其他生活建筑供暖，每年可節(jié)約數(shù)萬美元。

和IBM直接使用水做空調(diào)不同，英特爾和綠色革命冷卻（GRC）在一年后推出了礦物油冷卻系統(tǒng)。GRC是美國(guó)國(guó)家科學(xué)聯(lián)合會(huì)的初步支持。公司成立于2009年，成立不到10年，但在冷卻技術(shù)解決方案方面有一定的成就和聲譽(yù)。

除了Tel和GRC公司，美國(guó)3M公司在浸入式液體冷卻方面也取得了突破。研究了普通離子水絕緣冷卻劑NOVEC，與礦物油沸點(diǎn)相比，它能在較低的溫度下進(jìn)行沸騰氣化。在3M液體冷卻系統(tǒng)中，NOVEC吸收熱量并沸騰，蒸汽在上端冷凝，將熱量釋放成液態(tài)。往復(fù)循環(huán)逐漸降溫。

在開發(fā)者大會(huì)上，谷歌推出了三代用于學(xué)習(xí)機(jī)的半導(dǎo)體TPU。TPU 提供了超強(qiáng)的計(jì)算能力，高密度設(shè)計(jì)和高性能計(jì)算速度隨之帶來的高熱量。讓谷歌只能在數(shù)據(jù)中心引入液冷技術(shù)，這是第一次在數(shù)據(jù)中心使用液態(tài)冷卻技術(shù)。從已公布的產(chǎn)品照片來看，谷歌有極大的可能采用的是冷板式散熱，但具體技術(shù)尚未披露。

5 結(jié)語

無線充電技術(shù)高速發(fā)展，正朝著體積小、功耗大、密集度高等方向快速發(fā)展。解決在無線充電裝置的使用中大量的發(fā)熱問題刻不容緩。相信隨著液態(tài)冷卻技術(shù)的發(fā)展和成熟會(huì)在無線充電領(lǐng)域發(fā)揮出應(yīng)有的效果。

液態(tài)冷卻技術(shù)在解決熱控制上起到了不可代替的作用，通過了解分析液態(tài)冷卻散熱技術(shù)的功能、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用給液態(tài)冷卻技術(shù)在無線充電領(lǐng)域的發(fā)展指明了方向，液態(tài)冷卻技術(shù)在無線充電領(lǐng)域會(huì)有極為廣闊的前景。