[科普中国]-散热性能

泡沫金属散热

泡沫金属根据其孔结构可以分为开孔和闭孔两种，闭孔泡沫金属内部的孔洞都被金属骨架隔开，相互独立、互不连通，即每一个孔都是封闭的；开孔泡沫金属中孔洞之间相互贯通，流体可以从孔洞中渗流通过。在开孔泡沫金属，由于孔洞的存在，增加了流体和金属骨架的换热面积，可以制备成热交换介质，应用到各类设备的紧凑型散热器中。同时，由于其具有高强度、高韧性且质量轻等特点，因此可以充当汽车结构件、航天设备等的缓冲器和吸震器，也可以应用到航天飞机的起落架上。1

泡沫金属因其较大的比表面积、金属骨架部分较大的热导率，使其能够将经过其通道的热量很快散失掉，因而有可能称为制备新型散热器的核心材料，解决日益严重的电子产品的散热问题，推动电子产品的快速发展。

均热板散热均热板是一种内部具有毛细结构的真空双相流体装置，其腔内注入有特殊工作液体。均热板在工作时，利用内部工质受热或冷却时发生液相到气相或气相到液相的相变过程，吸收或释放大量的热来进行热量的快速传递。均热板内部真空具有工作介质，同时内壁具有吸液芯结构，当加热均热板时，其蒸发面工作液体蒸发变成蒸汽，蒸汽在冷凝面凝结成液体，液体在毛细作用下通过吸液芯结构又回到蒸发面，形成循环。2

均热板作为一种新型的高效散热技术,具有热导率高、均温性良好等优点,越来越多地应用于机载电子设备.文中介绍了均热板散热原理,针对均热板和相同尺寸电子设备模块壳体在不同工况下进行散热性能实验研究,对比测试了两者均温效果和散热效果.测试结果表明,均热板的均温效果优于同尺寸常规铝材模块壳体;功耗及热流密度越大,均热板散热优势越明显;采用不同散热方式,均热板内芯片与模块壳体内芯片的温差相同;多芯片时,总功耗越高芯片表面温度越高,芯片热流密度越集中,芯片表面温度越高.当达到散热极限时,应设计为多芯片,低热流密度的形式,均热板可以达到更好的散热效果.

电子元件散热在工业技术水平的发展下,人们对于电子元件的散热性能也提出了更为严格的要求,电子元件散热方式多种多样,需要综合考虑各类因素进行选取。通常电子元件的散热是通过周围的环境或散热器来实现的。可以通过下面的方法对电子元件的散热性能进行优化。3

1． 自然散热的方法

如果从热回路的角度来分析电子元件的散热的情况，功耗等同于温差除以电热阻，热阻越大，电子元件的散热能力就越差，那么减少内热阻就成为电子元件散热设计的重要工作。 自然散热或冷却的方法不需要借助任何外部的辅助能量，让电子元件本身实现降温散热。 一般来讲，我们采用自然散热的方法时，电子元件内部的局部发热器件会通过向周围环境的散热来达到控制温度的目的。 其传热方式主要有导热、对流和辐射。这种方式主要适用于电子元件运行所需功率较小，不需要装配散热器的情况，对温度的控制要求不高，器件的热流密度不宜太大。

2． 强制散热的方法

电子元件的强制散热要借助风扇、散热器等设备，操作简便有效。 强制散热的方法可以迫使电子元件周围的空气流动，让气流把电子元件所散发的热量带走。 这种方法的电子元件特别适宜应用在空气流动或者有空间可以容纳局部散热器的情况， 为了达到强制散热或冷却降温的目的，我们可以增大散热器表面的散热面积，也经常采用肋片式散热器作为局部散热器来减少热阻，提高散热功效。 有时也会面对大功率电子元件的散热难题，对于这一问题，可以在散热器的型材中加入扰流片，引人紊流来，以此来提高换热和散热的效果。

3． 液体冷却的方法

针对于芯片和芯片组的散热，我们经常使用液体冷却的方法。 采用间接液体冷却的方法时，液态冷却剂不会与电子元件的表面进行直接接触，电子元件所产生的热量经过液体冷板或液体冷板的相应辅助设备从电子元件传递给液态冷却剂。 此外，也可以采用直接液态冷却的方法，让冷却剂直接与电子元件进行接触，热量直接被冷却剂带走，即可达到降温散热的目的。 对于热耗体积和密度都很高或者高温环境下的电子元件，散热方法一般都选择这种直接的液体冷却法。在技术水平的发展，低冷浸入法和振动遇到雾化冷却法诞生，这两种方法的散热性能更加理想。

4． 热隔离的散热方法

绝热技术也可以应用于电子元件的散热和冷却中。 这一技术借助于低导热系数的绝热材料来实现非真空绝热，这种方法是基于热传递理论产生，其绝热效果会受到绝热材料厚度与材料导热系数的影响。 根据热传导原理可知，温度越高，绝热材料的导热系数越强，绝热材料内部多孔介质的辐射传热能力就会增大，所以设备的长时间运行会导致隔热效果降低，为此，需要控制好设备的运行时间。

5． 相变蓄热的方法

为了提升电子元件的散热效果，在常压下可以利用相变材料的相变潜热来吸收电子器件运行过程中产生的热量，从而达到对电子元件的保护目的。 一般工业中多采取在热储单元充满烷类相变材料的方法，利用物理上固液相变潜热的方法来吸收芯片所散发的热量并使之保持低温的状态，持续时间较长，效果也非常理想。

新型面料美国斯坦福大学的研究人员综合运用纳米技术、光子学技术和化学技术，开发出一种新型面料。其具有比目前已有的天然或合成布料更好的散热效果。在炎热的夏季穿着用这种面料制作的衣服，即使在没有空调的环境中，也会感觉凉爽舒适。该新型面料由聚乙烯薄膜材料制成，其上布满直径50nm～1000nm的纳米孔，可使可见光发生散射，从而使材料在可见光下变得不透明并减少外界光照的升温作用，但不能阻挡红外辐射。研究人员用聚多巴胺涂层对材料进行了亲水性处理，使水蒸气能够通过材料的纳米孔。这样，改良后的面料就具备了可见光下不透明、透水透气、允许热辐射通过的特点。据称，穿着新型面料制作的衣服，可比穿着棉布衣服的体感温度低2℃。目前，研究人员计划进一步改进这种新型面料的舒适度和美观性，并降低其生产成本，以使其得到广泛普及。4