對液態冷卻技術的研究及在無線充電領域的探討＊

王毓延，劉寶君

（山東華宇工學院，山東 德州 253000）

引言

隨著電子技術的快速發展，無線充電設備使用的更加廣泛，以及高密度、高功耗的電子元件的不斷增多，廠商為提高用戶體驗，縮短充電所需時間，普遍采用加大無線傳輸功率來提高充電點速度。由于大功率無線充電裝置具有熱流密度大、散熱空間狹小等缺點造成充電裝置局部過熱、為保證無線充電過程的安全性，不得不降低輸出功率，從而造成充電時間延長，降低用戶體驗。

現階段無線充電裝置普遍無散熱模塊或采用風冷式無線充電，但對于充電速率更大、熱流密度更大的設備風冷式無線充電一般難以滿足散熱需求，減慢了充電速度從而影響了用戶體驗。如今液態冷卻技術在諸多領域大展拳腳，尤其在電子技術領域。液態冷卻技術能提供更強的散熱方式和效能，達到降低溫度、提高充電速度的目的。主要探討液態冷卻散熱技術的原理，以及其優勢和在無線充電領域的應用前景。

1 液態冷卻散熱功能原理

目前液態冷卻散熱技術普遍采用水冷散熱，水冷散熱是液態散熱系統中的其中一種形式，除此之外還有很多的其他介質可以用于液態冷卻散熱系統。從技術的角度看液態冷卻技術的工作原理就是利用水泵從儲水器中把水抽出來，通過水流管再進入水箱，之后再通過水箱另外的一個口出來，再從水管回流到儲水器，往復循環，把熱量從顯卡、主板、CPU等散熱量較大的元器件的表面帶走（如圖1所示）。

圖1 液態冷卻散熱系統工作原理圖

水冷塊是一種內部有水回路的金屬塊，由銅或鋁制成，與CPU接觸，吸收CPU的熱量。因此，該部分的功能與風冷散熱作用相同，不同的是，水冷塊必須留下一個通道，供循環液體通過并完全關閉，保證如圖2所示。這樣保證了循環液不會因為漏液造成電器短路。循環液的作用與空氣相似，但吸收了大量的熱量，溫度變化不大。如果液體是水，那就是眾所周知的水冷系統。水泵的作用是促進循環液體的流動。這樣，吸收CPU熱量的液體流出 CPU，新的低溫循環液體繼續吸收CPU熱量，水管連接水泵、水冷塊和水箱，在循環液體的封閉通道內循環而不泄漏。這樣，液體冷卻系統可以達到正常使用的目的。

圖2 水冷塊水道示意圖

水箱儲存循環液，循環液在這里釋放CPU的熱量。低溫循環液再次進入裝配線。當CPU的熱量較小時，利用水箱中儲存的大容量循環液，循環液的溫度不會明顯升高。如果CPU的功率很大，需要通過增加熱開關來進行分配。CPU的熱量類似于這里的熱開關。循環的液體把熱量大面積地傳遞給散熱器，散熱器的風扇把空氣的熱量帶走。

如果是小型密封液體冷卻系統，則省略開放式水箱。液體在泵、冷卻塊和熱交換器之間流動，循環液體在空氣中流動，可以防止暴露惡化。

可見，液體冷卻和冷卻本質上是一樣的。只有在液體冷卻時，CPU的熱量才通過循環液體從冷卻塊傳遞到換熱器。換熱器的采暖面積和采暖環境均比普通空調好得多，制冷效果明顯。

液態冷卻散熱技術作為一種成熟的散熱技術，總是廣泛地應用于工業之上，如飛機引擎的散熱、機載機箱的散熱、汽車引擎的散熱等。由于液態冷卻散熱方式在噪聲控制有著很好的效果，并且液態冷卻散熱的速度大于空氣散熱的散熱速度，所以液態冷卻散熱具有優良的散熱效果。因為在噪聲控制和散熱效果上有著種種的優勢，液態冷卻散熱技術慢慢普及開來，當今液態冷卻技術在個人計算機領域使用的尤為廣泛，近年來液態冷卻技術在智能手機領域漸漸發展起來，如黑鯊游戲手機、紅魔游戲手機等。

2 液態冷卻散熱對比風冷散熱的技術優勢

2.1 超靜音

相對于目前主流的風冷散熱，液態冷卻散熱系統利用散熱管中的冷卻液循環進行散熱。液態冷卻散熱的一個極大優點就是它可以在不提高氣體內部溫度的同時就可以把熱量吸收并且傳輸出去。從而實現無風扇散熱，也就不會產生振動，來實現超靜音的狀態。

2.2 散熱迅速

液態冷卻散熱具有熱容量較大、溫度上升的速度慢等特點，可保證在有突發事件發生時，元器件不會突然升溫突破電子元件可承受的溫度上限以至于燒毀，起緩沖作用。

趙吉志在分析水冷散熱的優勢時，假設電子元件功率為40W，在一小時就可以產生860.076×40=3443.04卡的熱量，要是流經水冷裝置的水量為100L/h，那么在不考慮其他方面散熱的情況下，水溫上升了0.344℃。適當的水量是影響散熱素的關鍵。再次選用適當的水量，假設電子元件的功率為40W左右，并且用15L的水不加風扇，并且使用10W的沉水泵，在環境溫度為25℃時，經過2h之后，水溫上升了3℃，并且達到了平衡的狀態。可說明水冷方式可有效散熱。

3 液態冷卻散熱的方式

以對數據中心進行液態冷卻散熱為例，我們可以把在數據通信設備中的液態冷卻散熱系統認為是一種液體的回路，在這之中，需要冷卻的部件如 CPU中的熱量與冷卻液相交換，通常，CPU可提供冷卻系統中所需液體，或者服務多個機架的外部 CDU也可提供。因為想要很好地解決數據中心的發熱問題，產業界做了大量的嘗試，就目前來說，液態冷卻技術主要有三種技術路線，分別是浸沒式，噴淋式以及冷板式散熱。

3.1 浸沒式液態冷卻散熱

浸沒式液態冷卻是今年廣受關注的一種散熱技術，并且在全球計算機大會上，相當多的國內外企業紛紛推出并且展示了浸沒式液態冷卻散熱的產品。有著極大的受關注度。

因為在浸沒式液態冷卻散熱中，冷卻液可與發熱的設備直接接觸，冷卻液又具有，傳熱系數高，對流熱阻低，比熱容大和導熱率打的特點，以至運行溫度變化率小，并且浸沒式液態冷卻散熱無需風扇，降低了噪音以及功耗，制冷效率高。所以此液態冷卻散熱技術符合對節能要求高，并且熱流密度大的計算機、大型數據中心等機構領域。是一種綠色節、新型高效的冷卻解決方案。

3.2 噴淋式液態冷卻散熱

噴淋式液態冷卻散熱的主要特點是將無腐蝕性的冷卻劑直接噴灑在熱力元件的表面或與熱力元件接觸的膨脹面上，吸收熱量后排出熱力流體，與外部環境的冷源進行換熱。

噴淋式液體冷卻柜系統由噴淋式液體冷卻柜系統、體冷卻服務器和冷卻劑三部分所組成。室內換熱器與噴淋式液體冷卻機通過管道相連，柜內半導體的余熱被冷卻水吸收后輸送至室內換熱器和室外換熱器及熱量。在該系統中，服務器內部的加熱部件采用分布式結構。加熱部件的加熱面方向與重力方向不同。服務器內部沒有風扇，因此在保存硬盤時需要對其進行保護和隔離。噴淋式液態冷卻系統具有散熱效率高、集成度高、靜音和高效節能等特點，是一種有效的散熱手段。

3.3 冷板式液態冷卻散熱

冷板液冷的主要布置是在液冷箱內安裝分水裝置，在液冷計算節點上設置出水支管，將支管進出口與液態冷卻計算節點進出口連接，達到液態冷卻計算節點中的液態冷卻循環。液體在罐內回合。儲罐共有兩個和外部管路相連接的接頭。該連接通道與外部CPU相連，在制冷板的液體冷卻系統的液體冷卻節點中進行液體冷卻，CPU等大型消耗品由液體冷卻板冷卻，少量其他加熱部件（如硬盤接口卡、硬盤等）依然采用風冷冷卻系統。

冷板式液態冷卻散與風冷式散熱相比，散熱效果和防噪音效果都會更好。并且因為冷板式液態冷卻散熱技術不需要大的水冷裝置，所以布局后降低了所有成本，顯著提高了數據中心的能源利用效率。在現有風冷技術下，一方面每個機柜的能耗最多只能達到30kW，在每分鐘60升的流量設置下，冷板式液態冷卻散熱可以實現每個機柜45KW的總能耗，從而實現更高密度的數據中心。

4 液態冷卻散熱的方案應用情況

在1966年，IBM推出了一款高速、高性能，并且大規模地應用于科學計算中的system/36091型計算機，此計算機具有預測全球氣候、探索宇宙等能力，以確保前所未有的大型機器的穩定性和效率，IBM專門開發了液態冷卻系統，后來又開發了幾十臺。多年來，在熱負荷較低的情況下，風冷成本較低，技術較簡單，液體和冷空氣逐漸消失。雖然IBM先后采用了3081臺大型機械和575秒功率的新型水冷散熱技術，但直到2010年的7月系統才真正達到的成熟。作為冷卻介質，其冷卻效率是普通風的4000倍。用于冷卻后的熱水還可以為其他生活建筑供暖，每年可節約數萬美元。

和IBM直接使用水做空調不同，英特爾和綠色革命冷卻（GRC）在一年后推出了礦物油冷卻系統。GRC是美國國家科學聯合會的初步支持。公司成立于2009年，成立不到10年，但在冷卻技術解決方案方面有一定的成就和聲譽。

除了Tel和GRC公司，美國3M公司在浸入式液體冷卻方面也取得了突破。研究了普通離子水絕緣冷卻劑NOVEC，與礦物油沸點相比，它能在較低的溫度下進行沸騰氣化。在3M液體冷卻系統中，NOVEC吸收熱量并沸騰，蒸汽在上端冷凝，將熱量釋放成液態。往復循環逐漸降溫。

在開發者大會上，谷歌推出了三代用于學習機的半導體TPU。TPU 提供了超強的計算能力，高密度設計和高性能計算速度隨之帶來的高熱量。讓谷歌只能在數據中心引入液冷技術，這是第一次在數據中心使用液態冷卻技術。從已公布的產品照片來看，谷歌有極大的可能采用的是冷板式散熱，但具體技術尚未披露。

5 結語

無線充電技術高速發展，正朝著體積小、功耗大、密集度高等方向快速發展。解決在無線充電裝置的使用中大量的發熱問題刻不容緩。相信隨著液態冷卻技術的發展和成熟會在無線充電領域發揮出應有的效果。

液態冷卻技術在解決熱控制上起到了不可代替的作用，通過了解分析液態冷卻散熱技術的功能、原理、特點及應用給液態冷卻技術在無線充電領域的發展指明了方向，液態冷卻技術在無線充電領域會有極為廣闊的前景。