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液冷技术在无线充电装置中的应用研究

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摘要】随着更多高科技电子产品的推广使用,无线充电设备的使用量也迅速递增,这就导致各产品对无线充电设备的散热性能有更高的要求。无线液冷在处理高热流密度散热问题时效果非常显著,使散热系统小型化的同时,也简化了其外形构造,并将电机运转和强制风冷所产生的振动和噪声消除,因此液冷是目前功率密度高和使用频率高的充电设备、电子器件最常用的冷却方式,是目前的研究热点。

关键词】液冷技术;充电设备;散热

充电装置的热控制一直是现代传热技术的主要应用之一。实践证明,电子器件和电路的效率以及可靠性与其温度成反比。为保证充电装置的可靠性和使用寿命,发挥其最佳性能,合理地对充电装置进行散热设计,解决高密度散热技术问题,采取行之有效的散热方式,是当下必须解决的技术问题。随着现代传热技术的发展,基于各种传热强化原理的充电装置器件热控制技术层见叠出。

一、液冷技术的分类及概念

无线充电装置散热技术根据接触方式可分为直接冷却、间接冷却和系统冷却三个方向。对于大部分充电装置冷却工质不可以直接接触,不少使用间接冷却的形式。但现有的各种间接冷却技术都存在着一定的缺点。例如:结构简单、成本低廉、技术成熟的风冷散热方式,存在的缺陷是气体热容小,仅仅靠热传导和对流的风冷散热器已经近乎散热极限(<100W/cm2),还有高转速风扇产生更大的噪音。

液冷技术是指主要冷却介质为液体的冷却技术。其工作过程就是以液体为载体,将热量直接或者间接地与发热元器件进行交换,热量通过蒸发或者流动过程被带走实现发热元器件温度降低。近年来提出的微通道技术、多孔介质技术、低熔点液态金属强化传热技术大规模被运用到了液冷技术的热控上,带来液冷技术的发展新格局。

二、液冷技术冷却方式

液冷技术通常采用直接冷却和间接冷却两种方式。直接冷却又分为直接浸入式液体冷却、液体喷射冷却和微喷雾冷却,三者都是由液体和电子器件接触后再将热量传导出去。直接浸入式液体冷却依靠的是自然对流冷却,是由冷却液与机壳冷表面直接接触后再进行热量传递。液体喷射冷却和微喷雾冷却的工作原理是在高温表面形成一层薄膜,通过冷却液的运动或者遇热蒸发降温,达到热控的效果,因为较高的喷射速度,其传热率较高。间接冷却就是采用冷却液不与设备电子器件直接接触,许多设备或电子器件冷却工质都不能直接与之接触,需采用间接冷却的形式。但现有的各种间接冷却技术都有一定的缺点,存在着加工工艺要求严格,难以实现等制约因素。液冷技术期待新的发展。

三、液冷技术研究方向

(一)微通道液体冷却技术

国外学者在20世纪80年代提出了新概念———微通道热沉。这是微观尺度应用液冷技术的集中体现,把微通道技术应用在大规模集成电路硅或锗的芯片上经过创新工艺加工出专门针对硅或锗集成电路的密集式液冷散热器。这种散热器由于利用了微通道技术,散热能力可以达700W/cm2。液冷散热器采用微通道技术有效提高了单位体积的换热面积(可以达到105m2/m3),使工质流体的边界层极大减薄,使得层流与湍流转变的临界雷诺数要比常规通道小很多,使强迫对流的换热性能有效提高。

(二)多孔介质强化传热技术

流体的微观速度在孔隙中的分布无论大小和方向都不均是由多孔介质中孔隙系统的存在决定的,该系统促使流体在其中强烈地横向混杂加大接触面,就是在流速不高时也容易达到湍流状态,工质流体的对流传热加强,提高热控性。实验证明强化单相对流传热在利用多孔介质这一方面是十分成功的。

(三)液态金属散热技术

国内学者在2002年提出改变冷却流动工质的计算机芯片散热方法,利用低熔点金属或其合金作为介质,首次将这类物质引入芯片热控领域。液态金属及其合金既有高的导热率(如Ga导热率约为H2O的60倍,高出空气1000倍多),又具有液体的共性——良好的流动性,能够使传导加速加剧。液态低熔点金属及其合金作为冷却介质的提出指出了液冷技术新的发展方向。

四、结语

无线充电设备正朝着功耗大、体积小、密集度高、使用频率大的方向飞速发展,解决充电装置的散热问题提高利用效率刻不容缓。液冷技术在解决热控上起到了不可替代的作用,后期新概念微通道、多孔介质、液态金属及其合金工质的提出给液冷技术在充电装置上的应用指明了方向,相信液冷技术的利用前景将极为广阔。

参考文献:

[1]欧阳灿.高效液冷技术在电子元件热控制中的应用[J].电子与封装,2008(10):37-39.

[2]任苏中.新一代航空电子系统热设计[J].电子机械工程,1994(1):27-29,13.

本文来源:中国知网

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