国外电子设备空气冷却技术研究的新进展

周尧， 田沣， 张丰华， 杨明明

（西安航空计算技术研究所，西安 710119）

0 引 言

随着微电子技术的迅速发展，电子元器件集成度越来越高，电子设备总功耗越来越大而物理尺寸却越来越小，这导致电子设备热流密度迅速增加，散热问题已经成为电子设备性能进一步提高的主要障碍[1]。热管理技术在过去的数十年里发展迅速，主要包括空气冷却、液体冷却、压缩机制冷、相变冷却等。液体冷却、压缩机制冷等技术虽然具有很强的冷却能力，但使热管理系统的重量、体积、复杂度和耗能增加，成本上升、可靠性下降，在许多电子设备上，空气冷却的应用更为广泛。得益于MEMS（Micro Electro Mechanical System）及微纳米材料技术的快速发展，近年来国外研究机构在空气冷却技术方面取得了众多成果，国内的研究进展相对缓慢。

1 电子设备的空气冷却方法

空气冷却是指以空气作为介质传递热量的散热方式。空气冷却以牛顿冷却公式为基本计算公式，其散热能力与换热系数、换热面积、固体壁面与空气的温度差有关，即对流换热量可由下式计算：

式中：α为对流换热系数；A为换热面积、Δt为固体壁面与空气的温度差。由式（1）可见，提高空气冷却散热能力的方法主要是增大换热面积、提高对流换热系数和增加固体与空气的温度差。在实际工程中，主要采用肋片（或称翅片）来扩大换热面积，一般采用铝、铜等金属材料加工成片状、针状等型式，作为发热电子器件与周围空气间的换热器。

2 国外研究进展

21世纪初，Acikalin等[2]对压电风扇换热器的冷却性能进行了研究，发现使用压电风扇换热器冷却与使用传统的自然对流冷却相比，前者导热率比后者高出1倍以上。随后，Acikalin等[3]对压电风扇产生的喷射型气流的热力学特性进行了试验和仿真研究。研究表明，相对于自然对流散热，压电风扇散热可以使导热率提高275%。Wait等[4]对压电风扇冷却性能进行了试验研究和数学分析，发现压电片在高阶模态上振动能够增强空气的混合作用从而提高冷却性能，但同时会带来更大的能量消耗。Gerty等[5]对集成在空气流道中的压电振动片对散热性能的提高进行了研究，发现压电振动片对于流道中流场能够产生影响，起到强化散热的作用。

Hidalgo等[6]提出了一种集成了风机、散热翅和振动簧片的增强换热器（如图1），该换热器在螺旋状散热翅片顶板集成一个离心风机，在翅片间制作有振动簧片，换热器能够在低风速条件下起到增强换热的作用。研究表明，该增强换热器性能系数比一般换热器高出1.4倍。

Herrault等[7]研究了一种MEMS增强的自振荡簧片空气换热器（如图2），在换热器翅片流道中的振动簧片可以在低雷诺数流动中产生小范围的运动，提高换热效率，研究了换热器流场雷诺数与压降、簧片位置与翅片温度等热力学、流体力学特性，结果显示，与自然对流换热器相比，其散热性能提高了250%。

图1 集成了风机、散热翅和振动簧片的换热器

Kariya等[8]提出了一种铜微结构毛细吸液芯热管结构，用于空气换热器，如图3所示，并研究了不同直径颗粒混合对于最大毛细压力和渗透率的影响。

图2 自振荡簧片散热器

图3 热管换热器原理

Kariya等[9]建立了上述空气换热器的数学模型，以研究散热器的热阻，并将数学模型与实验结果进行了比较。Allison等[10]对上述空气换热器的热力学特性进行了试验研究，并通过无量纲的经验模型进行了计算分析。研究表明，该空气换热器在无量纲热流量为48时，几乎是同样空气质量流量的传统风扇换热器热传递率的两倍。

Taiho Yeom[11]对一种用于电子设备冷却的压电式平动流体扰动换热器进行了研究（如图4），压电平动扰动片能够产生高频的、大位移运动，这一运动是由带有压电作动器的椭圆环壳产生的（如图5），椭圆环壳的作用是将压电作动器的小位移放大至几毫米，通过理论和实验分析，研究了该装置振动力学和传热学特性。研究表明，与普通散热器相比，上述空气换热器散热性能大幅提升。

图4 压电式平动流体扰动换热器

图5 带有压电作动器的椭圆环壳

3 结语

与其它冷却技术相比，空气冷却具有可靠性高、系统简单、成本低等优点，目前其冷却性能仍具有很大的提升潜力。本文介绍了空气冷却技术的研究现状，指出了提高空气冷却性能的主要途径，并介绍了国外研究机构在空气冷却技术方面取得的新进展。随着MEMS技术的快速发展，利用MEMS技术开发新型空气冷却技术、提升空气冷却性能，将使空气冷却这一传统的冷却技术获得更大的发展。

［参考文献］

[1] 李庆友，王文，周根明.电子元器件散热方法研究[J].电子器件，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.