电子设备热设计(Thermal Design of Electronic Equipment)-7 热设计与流体动力学

本小节将从流体动力学方面来阐述热设计。

进行热设计最基础的理论是传热学和流体力学。传热学主要研究热量传递的基本形式、传热机理以及传热计算方法。而流体力学主要研究流体流动特性和流动时阻力计算等。数值求解温度场是基于流场的计算结果上的，流体流动满足三大守恒定律，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒。

为了充分理解自然对流或强制对流的传热，有必要对流体动力学有一个基本的了解。

流体是指任何没有形式的物质。液体和气体都是流体。此外，为了区分液体和气体，液体有一个表面，而气体会膨胀以填充一个体积。液体通常被认为几乎是不可压缩的，而气体则很容易被压缩。绝大多数冷却液流都是不可压缩的。

涉及流体动力学的先进的冷却技术包括Liquid Immersion Cooling（液体浸没）、Multiphase cooling（多相冷却）和Jet impingement（射流冲击）。

1. Liquid Immersion Cooling（液体浸没）

液体浸没冷却是通过浸没在导热的介电液体中来减少硬件中的热量。

浸液冷却最简单的例子之一是将标准风冷计算机的硬件浸入矿物油中。矿物油是不导电和无电容的，对电子产品没有威胁。电脑爱好者有时会使用这种方法，使用标准的水族馆来放置硬件。风扇继续旋转，使油以较低的速度在散热器上循环，但使用比空气更有效的流体介质进行冷却。这冷却了部件，因为油首先吸收热量，然后受益于蒸发冷却。然而，这种方法无法处理高热负荷，需要偶尔补充机油。

更复杂的浸没冷却方法被用于展示计算机、大型机和数据中心。这些系统仍然经常利用蒸发冷却并浸没零件，但它们通常是一个封闭系统，更像是传统的液体冷却（配有泵和外部散热器）和浸没冷却的混合体。他们的液体通常是一种工程介电流体，其沸点低于水。液体蒸发、冷凝并滴回专门设计的储罐。这种循环降低了流体的成本，而流体通常是专有的且昂贵的。

与使用冷却器、热泵和暖通空调的传统数据中心冷却相比，液体浸没的耗电量减少了99%。以更低的成本进行更大的冷却也使得更大的系统密度是可行的。许多浸没式冷却装置都很复杂。然而，更简单但非常有效的开放式浴槽系统通常产生最低的操作成本。其他好处包括几乎无声的操作和更少的灰尘，因为减少了气流影响。

水冷可能会限制数据中心设计的灵活性，因为连接到管道的系统无法轻易重新排列。电子系统和水的结合也使灾难恢复规划（DRP）变得复杂。管理员需要提前知道他们将如何处理潜在的问题，如生锈或泄漏。电介质液体的浸没冷却减轻了许多这些问题以及对电气系统和水结合的普遍担忧。

冷却剂可以创造性地用于将热量输送到有用的地方，从而有效地节省热量。大多数数据中心浸没式冷却解决方案的实施成本很高。然而，由于冷却中使用的电力是最大的运营成本之一，浸入式冷却的初始支出通常会很快被节省的电力所抵消。

2. Multiphase cooling（多相冷却）

多相冷却从一种特殊配方的、沸点非常低的非导电冷却剂开始。当冷却剂的温度升高时，它会变成气体，上升，然后在到达散热器（冷凝器）后凝结回液体。任何时候一种物质发生相变，都需要大量的能量，称为潜热。这种能量以热量的形式从被冷却的部件中获取。

多相冷却的许多优点是热力学性质的直接结果。使用潜热，该系统不需要移动部件（如泵、电子设备），比任何液体冷却系统都能自我维持、更小、更轻、更安静。从而允许系统在一般情况下和在最大应力下都在较低的温度下运行。多相冷却过程的效率是风冷应用的2000倍，是液体冷却的500倍。

3. Jet impingement（射流冲击）

液体射流冲击是去除局部集中热量的有效方法。可以使用一个简单的直喷嘴或收缩喷嘴来形成液体射流，并且该喷嘴可以直接指向热负荷区。液体以特定的压力被泵入喷嘴，使其以特定的速度排出。当射流冲击受热表面时，会出现薄的流体动力学和热边界层，从而产生最小的热阻。

因此，对流传热系数很高，使其非常适合冷却高度局部化的高热流源，同时将表面温度保持在安全极限以下。如下图所示，喷嘴释放出一股冲击目标表面的液体射流。在自由表面射流中，由于高密度，表面张力应力和射流和气体交界处的气流捕获的影响以及流体和周围气体之间的粘度差通常很小。重力表面张力和重力决定了自由表面的几何形状。这些力的大小由射流的速度、大小和方向决定。

当圆形流体射流与平坦的水平目标表面碰撞时，可以形成圆形水力跳跃。流动在径向延伸穿过表面时形成薄膜。薄膜厚度在距离冲击部位一定径向距离处突然上升，从而确定了水力跃变。明显翘曲的自由表面、边界层区域以及随后的流动分离都涉及到这些类型的水力跳跃。下图描述了撞击射流的配置。

几十年来，研究人员一直在考虑通过高速空气喷射来冷却热电子设备的潜力。然而，喷射冷却系统今天并没有被广泛使用。阻碍使用这些系统的两个最大障碍是它们的复杂性和重量。空气喷射系统必须由金属制成，以便能够处理空气喷射相关的压力。空气处理系统可能很复杂，有许多离散的部件来管理气流并将空气引导到需要冷却的热点。

University of Illinois 研究人员已经证明了一种新型的空气喷射冷却器，它克服了以前喷射冷却系统的障碍。利用增材制造，研究人员在单个部件中创建了一个空气喷射冷却系统，该系统可以将高速空气引导到多个电子热点上。研究人员用坚固的聚合物材料制造了冷却系统，这种材料可以承受高速空气喷射带来的恶劣条件。

目前，大多数电动汽车都使用水平冷却技术，但随着功率密度的增加，这些冷却方法将变得不足。由于热性能的改善，液体射流冲击是一种有吸引力的冷却技术，已经进行了数值测试和实验实现。尽管目前尚未在工业上实施，但研究表明，作为一种热管理技术，它取得了非常有希望的结果。

下图所示的是汽车电子设备使用射流冲击部件和系统概述：（a） 喷射孔（b） 射流冲击歧管（c） 增强型表面（d） 安装在动力模块上的射流冲击歧管，（e） 射流冲击功率模块冷却的真实实例（f） 车辆冷却回路

射流冲击设计、制造方法、功率模块中的材料和有效冷却表面积都对冷却功率电子器件时的传热系数有影响。然而，射流冲击已被证明可以将模具的最高温度和模具之间的温差保持在临界值以下。在电力电子模块的传统射流冲击设计之上，先进的射流冲击技术可以应用于更高的传热率，包括喷射射流和合成射流。

电力电子设备的有效热管理对于可靠性和提高功率密度至关重要。在随着下一代电力电子设备实现宽带隙器件，增加的热通量将需要更先进的冷却策略。射流冲击作为一种先进的电力电子冷却技术，由于其在高热通量应用中的热性能得到了证实，未来必将得到更广泛的应用。

文章来源：CAE工程师笔记