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液体致冷技术最新进展
[2008.1.1]
作者者：Jon Titus, ECN资深技术编辑

液体致冷提供了一种方便的方法将电子元件、电路板及系统的热量散发掉的方法。其效率超过了风冷，而且，液体致冷设备也不需要在机箱中的保留气流通道。

有些工程师一想到液体致冷，就会联想到管线泄漏及电子器件损坏等问题。幸运的是，液体致冷已经从“证明给我看”发展到在高端计算机及军事与航空设备中普遍应用的阶段。所以，液体致冷是一种将热量从一处转移倒另一处的可靠而高效的方法。带走的热量可传播一定的距离进入散热器，通过散热器散发到室外大气、城市给水、海水甚至另是一冷却系统中。

液体致冷技术有两种方式：一是将热量传递到液体中；另一种是用热量来挥发液体。图1说明了四种类型致冷的冷却能力。为了解厂商如何能帮助客户应用液体致冷技术，ECN访问了四家生产液体致冷产品企业的人士。

Cooligy公司无需维护的闭路循环冷却系统

Cooligy从最初就致力于液体致冷技术的研究，他们开发出了一种无需维护的闭路循环冷却系统。“工程师们可以购买部件来组装一个液体致冷系统。”Emerson Network Power分公司Cooligy的销售与营销总监Fred Rebarber说。“但他们必须要确保所有部分都能配合良好，还要保证其具有长期的可靠性并无须维护。这是一种额外的负担。”Rebarber指出，Cooligy已经出售了50,000台用于高端的PC工作站的液体致冷系统。目前，这些设备尚未出现需要维修问题。

通常，Cooligy的工程师们会与客户一起构建液体致冷技术，从设计初始就让他们参与进来。工程师们担心设备中会出现液体渗漏问题，所以在Cooligy的液体致冷产品中采用了双重冗余保护机制。“我们设计了自己的接头反扣与管线，并使用专有的密封剂。”Rebarber解释说。“我们的夹管与树脂可保证致冷系统不会出现泄漏，柔软管路的渗透性接近金属材质的效果。”

每个客户的产品都有不同的电路元件布局，并需要冷却，还有空间和性能的要求。“我们的微型热交换器可高效地将热量从芯片转移到液体中。”Rebarber说。“用热交换器可以冷却芯片上的一个点或一个区域，也可均匀地冷却整个芯片封装。热交换器可形成一个串行环路，将热量从设备的很多部件中转移出来。”Cooligy采用了很多设计中使用的构建模块，所以不必对每个新客户都从头开始设计。

工程师们也会考虑致冷液在低温下的工作效果。“PC的工作温度范围从-40ºC到85ºC。”Cooligy的高级研发总监Douglas Werner解释说。“但些温度范围通常只是产品规范中的数据，而并非正常的工作温度。我们既有能象防冻液一样工作的标准液体，我们还有不含乙二醇的水溶液。水有较高的热容，也不会破坏环境。如果添加的是含乙二醇的防冻剂，就降低了液体的热容并增大了粘度。这样会降低散热效率。”

Parker-Hannifin的侧壁液体致冷技术

Parker-Hannifin主要研究现成的商业应用(用于商业、军事及航空应用中的COTS0计算机板卡)方面的液体致冷技术，该公司有液冷侧壁的电子产品机箱为有导热框架的传导冷却电路板提供了散热。从发热元件出来的热量经过框架传到电路板的边缘。致冷液在机箱的侧壁中流通，机箱上固定了电路板卡，并可带走各电路板发出的热量。“对于典型6 x 90英寸的电路板，侧壁液体致冷可散发掉200W以下的功耗，接近了这种技术的致冷极限。”Parker的系统工程师Andy Odar说。“液体流过模块，另一方面也将每个电路板的散热能力提高到1,000W。由于这些模块可直接从其源头散热，免除了导热框架。工程师们喜欢在有高热负载需求的新应用中使用这些模块。”

图2显示了液冷示范机箱容纳电路板及一个泵模块，可在致冷管线中循环液体。“泵及电路板可直接插入背板和管线中。”Odar解释说。“无渗漏的液体连接保持了电子元件和机箱内干燥状态。”工程师们也可采用外部泵。Odar介绍，根据总热负载的不同，内部泵可以冷却数个机箱。

“我们的一位客户有一种体积约为8 x 5 x 3英寸的风冷电子机箱。该机箱有很多匣式组件，每个组件中都有可产生3,000W以上废热的电路板。”Odar说。“客户需要在设备中流通大量的致冷气流。我们可从体积为8 x 10 x 20英寸的标准机箱中散发掉同样的热量。”Parker的液冷示范机箱符合Air Transport Rack (ATR) ARINC-404标准，可容纳根据新兴的VME VITA 46/48标准制造的电路板。这种示范机箱可容纳11个电路板及一个可选的泵模块，利用水或水/乙二醇溶液这类的致冷液能散发掉4,000Q的热量。非传导的致冷液使致冷能力降到2,000W左右。

Parker的流通模块采用宏观分层结构，强迫液体流经特定的发热元件或区域。“我们可以在较薄的铝板或不锈钢板中制造复杂的流通渠道。”Odar解释说。“这样我们就可以将这些层接合到一起，并将组件加工成最终形状。客户可得到一个紧凑薄体冷却板，它可用在机箱壁上、或用于电路板模块、或一个元件中。

“液体致冷允许工程师们从不同角度考虑其电子产品设计。”Parker的首席工程师Rex Harvey说。“通常，工程师们仍会接受已接近了最大的风冷极限值。他们会想“如何改进我们的电子技术，才能使液体致冷克服多数的热极限？”向现有设计中或新设计中加入液体致冷功能，并没有过多的意义，只能稍微地提高性能。但是当工程师们将液体致冷作为系统的一个部分时，可以实现更好的效果，并能减小产品的尺寸。”

Amulaire提供专用液体冷却技术

某些液体致冷设备供应商针对专门的市场提供产品。以Amulaire Thermal技术为例，它提供了液体冷却板及液体致冷系统，可与混合动力及电动车辆及高能源电器设备的驱动电子学相配合，如四核处理器、MRI机器与激光等。

“工程师们必须认识到液体致冷并不能简单地代替风冷。”Amulaire的销售与营销总监David Bono说。“而是帮助工程师们提高产品效率。例如，可以在IGBT模块或对CPU超频中获取更多功率。”

可惜的是，许多工程师们不想将水或其它液体与电子器件搞到一起。但是车辆制造商使用液体致冷技术已有多年历史，计算机厂商也提供在现成PC中的液体致冷系统。对于只熟悉风冷产品的工程师们，液体致冷还有点陌生。但是除了其电子器件外，他们还必须要考虑泵、散热器、风扇和夹管、以及冷却板和液体。

“汽车工程师们已经在车辆中采用散热器和泵，对他们来说，液体致冷并不是很大的问题。”Bono说。“使用现有的致冷液循环回路来冷却混合动力车辆中的电力电子设备，可降低成本、重量及空间。由于循环回路可在85ºC的进口温度下将致冷液传送到设备，需要有一个高效的冷却板。比如一个电子模块的最大工作温度为120ºC。这样就需要处理35ºC的温差（delta-T）。”

据Bono介绍，常用的IGBT可产生2%的热损耗。“对2,000W模块，我们的致冷技术为工程师们提供了20ºC的温差，所以，即使是大功率的模块也可使用车辆现有的致冷循环回路。”

“为了有效地从一个发热区域转移热量，工程师们需要液体冷却板上有尽可能多的表面空间，也要有较大的流速来散发掉这些热量。”Bono说。Amulaire的铜铸冷却板上采用圆形的“纳米压印”可提供水流能轻松地流过的较大表面空间。也可以购买有较小渠道的冷却板，但要让液体在其中流通，需要提供较大的压力。

Bono提醒工程师们，如果液体致冷系统中有不同的金属，必须设法处理电解腐蚀的问题。“在循环回路中时现时有铜和铝时，就可能出现问题。所以，如果工程师们确定了用铜制冷却板，就必须明确在致冷液循环回路中是否存在铝。”致冷液可以运送离子，电子可流过并不明显的电气通路。甚至在没有直接的电气通路时，也会遇到问题。水中的缓蚀剂会截获离子，但必须要定期地补充这种缓蚀剂。

“在向生产泵、散热器及液体的企业销售铜冷却板时，必须了解他们是如何解决腐蚀问题的，确保他们不会将不同的金属混用。”Bono说。“如果有必要，可采用对铜冷却板镀镍来防止电解腐蚀。”

与气体冷却一样简单的液冷技术

SprayCool提供了两类相变致冷系统：一种将不导电的致冷液喷在热交换板上的系统、以及一种将致冷液直接喷到电路板或组件上的系统。SprayCool技术总监Tahir Cader指出，该公司目前推出了用于军事领域的液冷产品，可工作55,000小时以上。而且，SprayCool为用于国家试验室的IBM计算机提供了间接致冷系统。

Cader说：“有时，工程师们在见到一种风冷设备时，会说“我们可以对这种设备采用液体致冷。”这些设备是针对风冷所设计的，所以我们必须向现有产品中添加致冷元件，这会直接增加成本。如果从最初开始设计时就是要采用液体致冷，就能降低成本、产品尺寸，并要提高性能。

在直接喷淋致冷应用中，客户可以使用现有的cPCI、VME及其它符合6U标准的板卡。”SprayCool的首席系统工程师及产品营销经理Andrew Finch介绍说。“他们不必改变其电子部分。他们采用COTS板卡，取消了散热片，直接将板卡插入我们的多平台机箱中，这种机箱可容纳4到20个6U板卡。”机箱中含有可在板卡之间喷淋致冷液的雾化器。“我们可直接发热芯片上喷淋致冷剂，也可对整个板卡进行喷淋，而不是仅于某些特定的元件。”Finch说。

密封模块（即间接喷淋）可直接连接到处理器，通过隔离喷淋与处理器的隔板来吸收热量。“我们可以选择模块，如果是四核封装的芯片或是Pentium芯片，每个芯片都可获得适当的致冷。”密封致冷模块取代了散热片，安装时所用的五金件也都相同。

“在军事与航空领域，人们并不愿使用液冷设备。”Finch说。“所以，我们提供了基本的液体处理工具，允许技术人员对致冷系统加注或排放液体。他们只需象对风冷或传导冷却电子器件一样对设备进行维护即可。”

Captions
图1.该图显示了三种类型液体致冷技术对用于DSP应用或作为单板计算机的VME尺寸板卡的散热能力。图片由Parker-Hannifin及Curtiss-Wright提供。

图2.标准机箱可接受6U VME板卡，并能通过将热量吸收到液冷侧壁中对其进行冷却。左侧模块包括内部液体泵(上方)及典型的扩展板卡(下方)。图片由Parker-Hannifin提供。

高性能PC中的液体致冷系统可冷却处理器(六边形板)及两个扩展板卡上的元件。注意机箱右侧的泵。图片由Cooligy提供。

六边形板中(a)的较小的铜铸纳米压印使液体能高效地冷却较大的电子模块(b)。图片由Amulaire提供。

Parker-Hannifin的定制宏观分层结构可将致冷液传送到板卡上特定的发热区域。这种冷却结构包括几个层。

展示机箱中板卡间的精细雾滴可直接冷却元件。致冷系统可吸收生成的蒸汽、将其冷凝并重循环液体。图片由SpraCool提供。

组件的后视图显示了喷淋冷却机箱的主要部分。与高度无关的阀保证不论设备如何放置，板卡都能得到良好的冷却。图片由SprayCool提供。

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Figure 1, Figure 2, Figure 3, Figure 4, Figure 5, Figure 6

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