电子设备散热技术探讨
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1） 液冷系统承受的压力一般都比较大（ 30 kPa ～ 1 000 kPa） ，冷却液一旦泄露，就有可能引起电子器件的 短路，导致整个电子设备的损坏，故设计强迫冷却系统时 一定要进行严格的压力试验，以确保冷却系统的可靠性。
2） 有的电子设备可能不同部位的多个电子器件 都需要冷却，这时冷却系统还要具有分流、集流装置， 在设计时要确保各个流路的冷却液流量与其要冷却的 电子器件的热耗相匹配，见图 2。
Fra Baidu bibliotek
2） 冷却介质的物理特性，包括适当的沸点和冰点
载温度梯度小，适合热流密度较高的场合。冷却方式的 选择见图 1［2］。
及是否易燃、有毒等； 3） 冷却介质的相容性，要考虑冷却介质对散热器
是否有腐蚀作用，与密封圈的橡胶种类是否相容等；
4） 要求冷却介质成本低，适合长期使用；
5） 如果在高压下使用，还需要考虑冷却介质的一
水
30
8． 01 × 10 － 4
995． 7
0． 618
4174
100
0
65#冷却液 （ 乙二醇水溶液）
60
4． 70 × 10 － 4
983． 2
－ 60
2710 × 10 － 3
1143
0
16． 1 × 10 － 3
1102
60
2． 124 × 10 － 3
1062
0． 659 0． 315 0． 322 0． 359
冷却系统设计的目的就是在热源至最终散热环境
2） 计算电子设备的热耗及热流密度。通过功率、
之间提供一条可以把热量迅速传递出去的低热阻通 效率计算，估算出电子设备的热耗，结合电子设备的体
道，以满足电子设备散热可靠性的要求。在进行冷却 系统设计时，一般要考虑如下几个方面［3］：
积、散热面积计算出电子设备工作时的热流密度。 3） 确定冷却方式。根据电子设备的热流密度，确
Discussion on Cooling Techniques for Electronic Equipment
LV Hong-tao （ AVIC Radar and Avionics Insitute， Wuxi 214063，China）
Abstract： With the rapid development of electronic technology，superpower and high power density devices are widely developed and applied． But there is a problem about how to cool these superpower devices reasonably and effectively to improve their reliability． The cooling technique for the electronic equipment is mainly discussed in this paper． First，the design principle of the cooling system and the selection of the cooling mode and the coolant are introduced． Then a detailed description on the design of the air-cooling system and the liquid-cooling system commonly used is given． And the problems in the design are analyzed in detail． Finally， the application of the simulation，experiment on the thermal design of the electronic equipment is introduced in this paper． And the application of some new thermal conductive materials is prospected at the end of the paper． Key words： electronic equipment； cooling； thermal design
要求，有时需要对空气进行除尘、除湿等处理。液冷电 子设备冷却介质的选择，需要综合考虑以下几个方面：
用电子设备，特别是机载电子设备对环境要求苛刻，国 内一般都以浓度为 65% 的乙二醇水溶液作为冷却介 质，其特点是冰点低、热容大。水和 65#冷却液的性能 比较见表 1。
表 1 水和 65#冷却液性能比较
件的封装度不断提高，小型化、模块化成为电子设备的 发展趋势，这就对电子设备的热设计提出了更高的要 求，科学、有效的冷却系统设计就显得尤为重要。
1 冷却方式及冷却介质的选择
1． 1 冷却方式的选择 常用的冷却方式主要有自然风冷、强迫风冷和强迫
液冷三大类。自然风冷是最理想的冷却方式，无需其他 辅 助 设 备 ，但 其 冷 却 能 力 较 低 ，适 合 热 流 密 度 在 0． 04 W / cm2 以下的电子元器件的冷却。强迫风冷的 冷却系统结构简单、紧凑，成本低，设备量少，但受外形 尺寸及重量的限制，所提供的风量有限，适合热流密度
* 收稿日期： 2011 － 01 － 07
·8·
·抗恶劣环境设计与试验技术·
电子机械工程
2011 年 10 月
较低的场合。一般情况下，在热流密度小于 0． 4 W / cm2
1） 冷却介质的热特性参数，包括导热系数、比热
时，可采用强迫风冷。液体冷却系统相对复杂，设备量 容等；
大，成本高，但其承受的热流密度大，散热效率高，热负
1） 冷却系统具有充裕的冷却能力，以保证电子元 定电子设备的冷却方式并选择合适的冷却介质，同时
器件能够在规定的环境（ 尤其是高温环境） 中正常工 还要确定电子设备的载体（ 如战斗机） 是否能提供所
作；
需要的冷却介质。
2） 冷却系统具有高的可靠性；
4） 确定冷却介质的流量。根据电子设备的热耗
3） 冷却系统具有良好的维修性，操作、维护方便； 及确定的冷却介质，可根据以下两个公式计算出所需
4） 冷却系统具有较高的性价比。
要的冷却介质的流量（ 质量流量和体积流量） ：
2． 1． 2 设计准备 在进行电子设备冷却系统设计前，要首先明确以
下几点：
qm = Q /（ cp × Δt）
（ 1）
qV = M /ρ
（ 2）
·9·
第 27 卷第 5 期
吕洪涛： 电子设备散热技术探讨
·抗恶劣环境设计与试验技术·
引言
随着电子技术的飞速发展，大功率、高功率密度器 件被大量研制和应用。电子设备在功率增加的同时， 其热耗也在增加，有些电子器件工作时的表面热流密 度已达数十瓦每平方厘米。大量的热耗如果不能及时 散发出去，将极大地影响电子设备的可靠性。据统计， 在导致电子设备失效的因素中，温度占 55% （ 其余因 素为灰尘 6% ，湿度 19% ，振动 20% ） ［1］。电子设备的 运行实践表明： 随温度的增加，电子元器件的失效率呈 指数增长，对于有些电子器件，环境温度每升高 10 ℃ ， 失效率甚至会增大一倍以上［1］，这在不同程度上降低 了设备的可靠性。此外，由于设计理念的转变，电子器
些电气特性。
水和乙二醇水溶液都是较为常用的冷却介质，也
有一些电子设备是用油作为冷却液的。从散热角度考
虑，水是最 理 想 的 冷 却 介 质，其 比 热 容 大，导 热 系 数
图 1 冷却方式的选择
高，且价格低廉。但水的冰点较高，不适合在低温环境 下（ 如冬季室外或高空中） 对电子设备进行冷却。军
1． 2 冷却介质的选择 风冷电子设备的冷却介质是空气，根据电子设备的
第 27 卷第 5 期 2011 年 10 月
电子机械工程
Electro － Mechanical Engineering
Vol． 27． No． 5 Oct． 2011
电子设备散热技术探讨*
吕洪涛
（ 中航雷达与电子设备研究所， 江苏 无锡 214063）
摘 要： 随着电子技术的飞速发展，大功率、高功率密度器件被广泛研制和应用，而如何对这些高功率器 件进行合理、有效的散热，以提高其可靠性，却是一个难题。文中主要探讨了电子设备的冷却散热问题， 介绍了冷却系统的设计原则以及冷却方式和冷却介质的选择，同时对常用的风冷系统、液冷系统的设计 及设计时需要注意的问题进行了详细的分析，最后介绍了仿真、试验在电子设备热设计中的应用，对一 些新型导热材料的应用进行了展望。 关键词： 电子设备； 冷却； 热设计 中图分类号： TB66 文献标识码： A 文章编号： 1008 － 5300（ 2011） 05 － 0008 － 04
式中： qm 为冷却介质的质量流量； Q 为模块的耗散功 率； cp 为冷却介质比热容； Δt 为冷却介质的温升； qV 为 冷却介质的体积流量； ρ 为冷却介质的密度。
对于风冷电子设备，流量常用质量流量表示（ 单 位： kg / s） ，其温升 Δt 由电子设备的允许工作温度和冷 却介质的温度决定，一般有数十摄氏度； 对于液冷电子 设备，流量常用体积流量表示（ 单位： m3 / s） ，其温升 Δt 一般取 5 ℃ ～ 8 ℃ 。 2． 2 风冷系统设计
从风的动力来源上分，强迫风冷又可分为吹风和排 风两种形式。吹风冷却需要在设备进风口接风机，占用 空间较大，且振动、噪声也较大，但可以提供充足风量， 冷却效果比较好。对于机载设备，有时可利用压缩空气 代替风机进行冷却散热。如果电子设备的安装空间狭 小且无压缩空气源，可考虑采用轴流风扇排风散热，轴 流风扇一般要靠近设备的出风口位置。我们常见的计 算机 CPU 就是采用“散热器 + 轴流风扇”的散热模式， 计算机的电源一般也采用轴流风扇排风散热。
冷却剂
粘度 μ 冷却剂温度 / ℃ / （ kg·m － 1 ·s － 1 ）
10
13． 06 × 10 － 4
密度 ρ / （ kg·m － 3 ）
999． 9
导热系数 κ
比热容 CP
/ （ W·m － 1 ·℃ － 1 ） / （ J·kg － 1 ·℃ － 1 ）
0． 574
4191
沸点 /℃ 冰点 /℃
风冷电子设备冷却系统承受的压力一般比较小 （ ＜ 10 kPa） ，且少量的风泄露不会对电子设备造成污 染，故风冷系统对密封性要求不高。由于风冷电子设 备的温度梯度较大，在条件允许的情况下，增加风的流 量一般都可以取得比较好的散热效果。 2． 3 液冷系统的设计
按照电子器件与冷却液是否接触，液体冷却可分 为直接液体冷却和间接强迫液体冷却。直接液体冷却 就是把需要冷却的电子器件直接浸泡在冷却液中，自 然传导散热。它对电子器件和冷却液的要求都比较苛 刻，应用较少。
4179 2390
2847
＞ 120 － 65
3303
2 冷却系统设计
1） 确定电子设备的工作环境。要确定电子设备的 工作环境是室内还是室外，是地基还是空载。如果是空
2． 1 冷却系统的设计原则及准备
载，还要确定是舱内还是舱外及载机的高度。根据这些
2． 1． 1 设计原则
环境条件，估算出电子设备工作的环境极限温度。
间接强迫液体冷却就是把电子器件安装或紧贴到 冷板上，冷 却 液 从 冷 板 中 流 过 带 走 电 子 器 件 的 热 量。 间接强迫液体冷却一般结构比较复杂，且需要能够提 供一定温度和流量的液冷源设备，但它提高了电子设 ·10·
备的可维修性，同时也降低了对电子器件和冷却液的 要求。大部分液冷电子器件采用的都是间接强迫液体 冷却。在进行间接强迫液冷设计时要注意以下几点：
采用自然风冷时，如果电子器件的热流量较小，靠 空气对流换热带走热量即可； 如果热流量稍大，可以增 加散热器，散热器传导散热与空气对流散热相结合。
当电子器件热流密度大于 0． 04 W / cm2 时，用自 然冷却方法就不能有效地将热量带走，这时必须采用 强迫风冷。从冷却方式上分，强迫风冷有直接风冷和 间接风冷两种形式。直接风冷就是冷却风直接吹到电 子器件上，散热效果较好，对于一些形状不规则，体积 较大，不易于间接风冷的电子器件（ 如变压器） ，可采 用直接风冷； 间接风冷是把电子器件贴到冷板或散热 器上，冷却风通过冷板或散热器带走电子器件的热量。
2） 有的电子设备可能不同部位的多个电子器件 都需要冷却，这时冷却系统还要具有分流、集流装置， 在设计时要确保各个流路的冷却液流量与其要冷却的 电子器件的热耗相匹配，见图 2。
Fra Baidu bibliotek
2） 冷却介质的物理特性，包括适当的沸点和冰点
载温度梯度小，适合热流密度较高的场合。冷却方式的 选择见图 1［2］。
及是否易燃、有毒等； 3） 冷却介质的相容性，要考虑冷却介质对散热器
是否有腐蚀作用，与密封圈的橡胶种类是否相容等；
4） 要求冷却介质成本低，适合长期使用；
5） 如果在高压下使用，还需要考虑冷却介质的一
水
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8． 01 × 10 － 4
995． 7
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65#冷却液 （ 乙二醇水溶液）
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4． 70 × 10 － 4
983． 2
－ 60
2710 × 10 － 3
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16． 1 × 10 － 3
1102
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2． 124 × 10 － 3
1062
0． 659 0． 315 0． 322 0． 359
冷却系统设计的目的就是在热源至最终散热环境
2） 计算电子设备的热耗及热流密度。通过功率、
之间提供一条可以把热量迅速传递出去的低热阻通 效率计算，估算出电子设备的热耗，结合电子设备的体
道，以满足电子设备散热可靠性的要求。在进行冷却 系统设计时，一般要考虑如下几个方面［3］：
积、散热面积计算出电子设备工作时的热流密度。 3） 确定冷却方式。根据电子设备的热流密度，确
Discussion on Cooling Techniques for Electronic Equipment
LV Hong-tao （ AVIC Radar and Avionics Insitute， Wuxi 214063，China）
Abstract： With the rapid development of electronic technology，superpower and high power density devices are widely developed and applied． But there is a problem about how to cool these superpower devices reasonably and effectively to improve their reliability． The cooling technique for the electronic equipment is mainly discussed in this paper． First，the design principle of the cooling system and the selection of the cooling mode and the coolant are introduced． Then a detailed description on the design of the air-cooling system and the liquid-cooling system commonly used is given． And the problems in the design are analyzed in detail． Finally， the application of the simulation，experiment on the thermal design of the electronic equipment is introduced in this paper． And the application of some new thermal conductive materials is prospected at the end of the paper． Key words： electronic equipment； cooling； thermal design
要求，有时需要对空气进行除尘、除湿等处理。液冷电 子设备冷却介质的选择，需要综合考虑以下几个方面：
用电子设备，特别是机载电子设备对环境要求苛刻，国 内一般都以浓度为 65% 的乙二醇水溶液作为冷却介 质，其特点是冰点低、热容大。水和 65#冷却液的性能 比较见表 1。
表 1 水和 65#冷却液性能比较
件的封装度不断提高，小型化、模块化成为电子设备的 发展趋势，这就对电子设备的热设计提出了更高的要 求，科学、有效的冷却系统设计就显得尤为重要。
1 冷却方式及冷却介质的选择
1． 1 冷却方式的选择 常用的冷却方式主要有自然风冷、强迫风冷和强迫
液冷三大类。自然风冷是最理想的冷却方式，无需其他 辅 助 设 备 ，但 其 冷 却 能 力 较 低 ，适 合 热 流 密 度 在 0． 04 W / cm2 以下的电子元器件的冷却。强迫风冷的 冷却系统结构简单、紧凑，成本低，设备量少，但受外形 尺寸及重量的限制，所提供的风量有限，适合热流密度
* 收稿日期： 2011 － 01 － 07
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·抗恶劣环境设计与试验技术·
电子机械工程
2011 年 10 月
较低的场合。一般情况下，在热流密度小于 0． 4 W / cm2
1） 冷却介质的热特性参数，包括导热系数、比热
时，可采用强迫风冷。液体冷却系统相对复杂，设备量 容等；
大，成本高，但其承受的热流密度大，散热效率高，热负
1） 冷却系统具有充裕的冷却能力，以保证电子元 定电子设备的冷却方式并选择合适的冷却介质，同时
器件能够在规定的环境（ 尤其是高温环境） 中正常工 还要确定电子设备的载体（ 如战斗机） 是否能提供所
作；
需要的冷却介质。
2） 冷却系统具有高的可靠性；
4） 确定冷却介质的流量。根据电子设备的热耗
3） 冷却系统具有良好的维修性，操作、维护方便； 及确定的冷却介质，可根据以下两个公式计算出所需
4） 冷却系统具有较高的性价比。
要的冷却介质的流量（ 质量流量和体积流量） ：
2． 1． 2 设计准备 在进行电子设备冷却系统设计前，要首先明确以
下几点：
qm = Q /（ cp × Δt）
（ 1）
qV = M /ρ
（ 2）
·9·
第 27 卷第 5 期
吕洪涛： 电子设备散热技术探讨
·抗恶劣环境设计与试验技术·
引言
随着电子技术的飞速发展，大功率、高功率密度器 件被大量研制和应用。电子设备在功率增加的同时， 其热耗也在增加，有些电子器件工作时的表面热流密 度已达数十瓦每平方厘米。大量的热耗如果不能及时 散发出去，将极大地影响电子设备的可靠性。据统计， 在导致电子设备失效的因素中，温度占 55% （ 其余因 素为灰尘 6% ，湿度 19% ，振动 20% ） ［1］。电子设备的 运行实践表明： 随温度的增加，电子元器件的失效率呈 指数增长，对于有些电子器件，环境温度每升高 10 ℃ ， 失效率甚至会增大一倍以上［1］，这在不同程度上降低 了设备的可靠性。此外，由于设计理念的转变，电子器
些电气特性。
水和乙二醇水溶液都是较为常用的冷却介质，也
有一些电子设备是用油作为冷却液的。从散热角度考
虑，水是最 理 想 的 冷 却 介 质，其 比 热 容 大，导 热 系 数
图 1 冷却方式的选择
高，且价格低廉。但水的冰点较高，不适合在低温环境 下（ 如冬季室外或高空中） 对电子设备进行冷却。军
1． 2 冷却介质的选择 风冷电子设备的冷却介质是空气，根据电子设备的
第 27 卷第 5 期 2011 年 10 月
电子机械工程
Electro － Mechanical Engineering
Vol． 27． No． 5 Oct． 2011
电子设备散热技术探讨*
吕洪涛
（ 中航雷达与电子设备研究所， 江苏 无锡 214063）
摘 要： 随着电子技术的飞速发展，大功率、高功率密度器件被广泛研制和应用，而如何对这些高功率器 件进行合理、有效的散热，以提高其可靠性，却是一个难题。文中主要探讨了电子设备的冷却散热问题， 介绍了冷却系统的设计原则以及冷却方式和冷却介质的选择，同时对常用的风冷系统、液冷系统的设计 及设计时需要注意的问题进行了详细的分析，最后介绍了仿真、试验在电子设备热设计中的应用，对一 些新型导热材料的应用进行了展望。 关键词： 电子设备； 冷却； 热设计 中图分类号： TB66 文献标识码： A 文章编号： 1008 － 5300（ 2011） 05 － 0008 － 04
式中： qm 为冷却介质的质量流量； Q 为模块的耗散功 率； cp 为冷却介质比热容； Δt 为冷却介质的温升； qV 为 冷却介质的体积流量； ρ 为冷却介质的密度。
对于风冷电子设备，流量常用质量流量表示（ 单 位： kg / s） ，其温升 Δt 由电子设备的允许工作温度和冷 却介质的温度决定，一般有数十摄氏度； 对于液冷电子 设备，流量常用体积流量表示（ 单位： m3 / s） ，其温升 Δt 一般取 5 ℃ ～ 8 ℃ 。 2． 2 风冷系统设计
从风的动力来源上分，强迫风冷又可分为吹风和排 风两种形式。吹风冷却需要在设备进风口接风机，占用 空间较大，且振动、噪声也较大，但可以提供充足风量， 冷却效果比较好。对于机载设备，有时可利用压缩空气 代替风机进行冷却散热。如果电子设备的安装空间狭 小且无压缩空气源，可考虑采用轴流风扇排风散热，轴 流风扇一般要靠近设备的出风口位置。我们常见的计 算机 CPU 就是采用“散热器 + 轴流风扇”的散热模式， 计算机的电源一般也采用轴流风扇排风散热。
冷却剂
粘度 μ 冷却剂温度 / ℃ / （ kg·m － 1 ·s － 1 ）
10
13． 06 × 10 － 4
密度 ρ / （ kg·m － 3 ）
999． 9
导热系数 κ
比热容 CP
/ （ W·m － 1 ·℃ － 1 ） / （ J·kg － 1 ·℃ － 1 ）
0． 574
4191
沸点 /℃ 冰点 /℃
风冷电子设备冷却系统承受的压力一般比较小 （ ＜ 10 kPa） ，且少量的风泄露不会对电子设备造成污 染，故风冷系统对密封性要求不高。由于风冷电子设 备的温度梯度较大，在条件允许的情况下，增加风的流 量一般都可以取得比较好的散热效果。 2． 3 液冷系统的设计
按照电子器件与冷却液是否接触，液体冷却可分 为直接液体冷却和间接强迫液体冷却。直接液体冷却 就是把需要冷却的电子器件直接浸泡在冷却液中，自 然传导散热。它对电子器件和冷却液的要求都比较苛 刻，应用较少。
4179 2390
2847
＞ 120 － 65
3303
2 冷却系统设计
1） 确定电子设备的工作环境。要确定电子设备的 工作环境是室内还是室外，是地基还是空载。如果是空
2． 1 冷却系统的设计原则及准备
载，还要确定是舱内还是舱外及载机的高度。根据这些
2． 1． 1 设计原则
环境条件，估算出电子设备工作的环境极限温度。
间接强迫液体冷却就是把电子器件安装或紧贴到 冷板上，冷 却 液 从 冷 板 中 流 过 带 走 电 子 器 件 的 热 量。 间接强迫液体冷却一般结构比较复杂，且需要能够提 供一定温度和流量的液冷源设备，但它提高了电子设 ·10·
备的可维修性，同时也降低了对电子器件和冷却液的 要求。大部分液冷电子器件采用的都是间接强迫液体 冷却。在进行间接强迫液冷设计时要注意以下几点：
采用自然风冷时，如果电子器件的热流量较小，靠 空气对流换热带走热量即可； 如果热流量稍大，可以增 加散热器，散热器传导散热与空气对流散热相结合。
当电子器件热流密度大于 0． 04 W / cm2 时，用自 然冷却方法就不能有效地将热量带走，这时必须采用 强迫风冷。从冷却方式上分，强迫风冷有直接风冷和 间接风冷两种形式。直接风冷就是冷却风直接吹到电 子器件上，散热效果较好，对于一些形状不规则，体积 较大，不易于间接风冷的电子器件（ 如变压器） ，可采 用直接风冷； 间接风冷是把电子器件贴到冷板或散热 器上，冷却风通过冷板或散热器带走电子器件的热量。