热管理冷却技术及材料应用

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在碳达峰､碳中和大背景下,汽车､电力电子､通信行业等作为高能耗产业,绿色转型的需求愈发迫切,“十四五”期间为碳达峰的关键时间窗口,碳控排政策力度有望超预期,热管理行业即将迎来新的发展机遇｡我国热管理产业民族企业整体实力仍然不强,大部分企业徘徊在中低端领域,同质化严重,主要依靠价格优势维持生存｡高端材料及关键技术的发展受到制约,不仅高端产品严重依赖进口,甚至部分中低端产品亦无法实现完全国产化热控及热管理产业作为未来工业及信息产业的基础与核心,必定是具有前瞻性､先导性和探索性的战略必争高地,应紧握新一轮科技革命和产业变革带来的机遇,大力发展实施热管理产业,推动高质量发展｡

在双循环和新的国际经济环境下,国内企业对供应链的诉求空前高涨,下游厂商对来自于本土的上游供应商的重视程度显著提高｡

1 热管理产业应用领域技术观察

科研技术牵引产业发展,下面从电化学储能领域､通信电子行业､新能源汽车三条思路出发,探讨热管理行业产业链组成｡

1.1 电化学储能领域热管理技术发展

“双碳”目标下,电力行业亟需推进节能减排,优化资源供给结构｡除对可靠性及热管理要求较高的发电及传输电网以外,储能系统的引入可有效优化电力行业供需关系､降低可再生资源发电弃风弃光率､降低用户端的综合用电成本等｡当前储能系统主要应用在大型发电厂,未来随着国家政策持续支持以及储能技术发展,储能系统将向配电端和用户端渗透｡然而,近年来储能电站事故频发,2021 年以来已发生了多起重大事故,储能电站热管理的市场关注度提升｡常见的电力行业热管理技术包括风冷/液冷散热,风冷结构简单､成本低､易维护,但最大的缺点就是散热效果不佳｡液冷与风冷相比的优势是散热效果好｡除传统的散热方式外,间接蒸发冷却被广泛运用在储能场景中,间接蒸发冷却兼备高效和节能｡除此之外,相变材料也是当前比较热门的散热方式之一,利用材料相间变化时的吸放热,可以高效进行热管理｡未来热管理方式将继续以高效和节能为目标,不断发现性能更优异的冷媒,使得储能系统更加安全和稳定｡

随着国家政策大力支持储能产业发展,储能装机规模有望快速增长,为热管理行业带来极大的成长机会｡

储能系统按照储存介质可分为机械类储能､电气类储能､电化学类储能､热储能和化学类储能｡抽水蓄能发展最为成熟,化学储能为未来发展方向｡

电化学储能快速增长,可再生能源并网为未来储能装机驱动因素｡近年来,国内外电化学储能均呈快速增长态势｡在新增电化学储能的应用中,主要以可再生能源并网为主｡根据BNEF 数据,2020 年中国新增电化学储能中,可再生能源并网储能占比为40%左右｡

对于电化学储能来说,温度控制的好坏直接影响整个储能系统的性能,严重时会引发热失控,造成事故｡其可采用的冷却方式也有多种方向｡

1.1.1 单相流体冷却方式(空冷/液冷)

空冷/液冷通过空气/液体流经发热部件,通过接触换热的方式进行降温｡空冷结构简单､成本低､易维护,相较于液冷和相变材料冷却,空冷的稳定性好,但空气的低热导率限制了空冷系统的冷却性能,所以空冷系统冷却速度较慢,散热效果不佳,虽然强制风冷可加强气流运动,提高散热效率,但使用风扇或气泵强制对流将造成系统能量损失｡液冷冷却的冷却剂为液体,相对空气来说,液体具有更大的比热容､温度传递快､吸收热量大等优点｡同体积液体带走的热量显著大于风冷,热传导的效率亦显著高于空冷,液冷冷却技术优势明显｡液冷技术可以分为间接制冷和直接制冷两种方式,对于电力设备,考虑到安全问题,一般以间接制冷为主｡

1.1.2 蒸发冷却技术

蒸发冷却方式是一种具有优异冷却效果且能随负荷变化自平衡的冷却方式｡蒸发冷却分为直接蒸发冷却(Direct Evaporative Cooling,DEC)和间接蒸发冷却(Indirect Evaporative Cooling,IEC)｡直接蒸发冷却是将水直接喷淋于未饱和湿空气中,使空气等焓增湿､降温｡由于空气与水直接接触,使其含湿量增加,因此存在一定的应用限制｡间接蒸发冷是工作介质先经直接蒸发冷却设备处理,流经换热器通道一侧,形成湿通道,产出介质流过干侧通道,湿侧介质吸收干燥介质的热量,借助于湿表面蒸发,从而冷却产出介质｡由于工作介质不与水直接接触,其含湿量不变,实现空气的等湿降温｡常见的间接蒸发冷却的冷却介质为冷媒水｡

间接蒸发冷却系统高效节能兼具｡间接蒸发节能技术具有三种工作模式:当室外温度较低时,直接换热器换热模式;室外温度升高时,开启间接蒸发模式;当室外温度较高时,启动机械制冷模式｡间接蒸发冷却技术可从自然环境中获取冷量,与一般常规机械制冷相比,具备较为显著的节能效应｡

间接蒸发冷却系统技术发展完善,应用场景广泛｡按照冷却器结构可以分为板式间接蒸发冷却器和管式间接蒸发冷却器两种形式｡板式间接蒸发冷却器优点是换热效率高､制造工艺比较成熟,应用较多｡存在的主要问题是流道窄小,容易堵塞,随着运行时间增加,换热效率急剧降低,流动阻力大,布水不均匀､浸润能力较差,同时由于使用的金属材料易被腐蚀,造成结垢､维护困难等｡管式间接蒸发冷却器优点是布水均匀,容易形成稳定水膜,有利于蒸发冷却的进行,空气流道较宽,不会产生堵塞,因而流动阻力小,且二次空气流道和风机便于布置｡存在的主要问题是占地空间较大｡目前间接蒸发冷却系统已大量应用于数据中心､发电端､化工､冶金､轨道､机场､医药和市政商用领域｡根据不同的使用场景,可分为分体式､嵌装式和顶置式｡

不同应用场景下,间接蒸发冷却系统与传统制冷方案和其他自然冷却方法相比优势明显:对于发电-电动机等应用领域而言: 1)蒸发冷却系统可实现无泵自循环,运行时系统内部压力低,发生工质泄漏的可能性小｡2)蒸发冷却系统可自动根据热负荷调整运行状态,无需外加调节控制装置｡3)蒸发冷却介质绝缘具有高绝缘性与不燃性,即使发生介质泄漏问题,也不会造成短路等重大事故,因此具有较好的安全性｡4)蒸发冷却系统散热能力强,采用管道内冷的形式应用于发电-电动机定子线棒冷却上,可有效降低铜导杆与主绝缘间温差,使线棒在轴向和周向上温度分布更均匀,从而降低热应力､提高主绝缘寿命｡5)蒸发冷却系统维护方便,运行､维护成本低｡对于数据中心等应用领域而言: 1)自然冷源利用效率高｡2)换热链路短,高效换热｡3)集成度高,环境要求简单｡4)与传统机械制冷方法相比,可实现有效节能｡5)户外安装的制冷设备使得空气处理机组的维护更方便｡

1.1.3 相变材料储能

相变材料是一类温度变化时发生相变的材料,一般利用相变过程吸收或释放大量潜热,以达到热管理的目的｡常见相变材料按物理状态可分为气固相变､固液相变､固固相变和气液相变四类,气固和气液相变材料虽然储能密度大,但是发生相变过程时体积变化较大,不利于实际应用;固固相变材料在相变过程中体积变化小,无气､液泄漏风险,但是材料难以获取,且相变温度较高;相比之下,固液相变材料在熔化或凝固过程中体积变化小,熔点低,相变潜热大,因此受到广泛应用｡

相变材料储热系统的优点是散热效果好,无需消耗电池额外能量,同时可用于散热和加热使用;缺点是相变前的低热导率和相变传热的迟缓性会限制其在极端服役工况下的应用｡相变材料储热方法已有较多研究,其适用范围广,但当电池发热量小,未达到相变材料熔点时,相变材料无法通过相变过程潜热,即相变冷却失效,所以相变材料冷却适用于发热量较大的电池包｡考虑到在大倍率放电过程中电池发热量的不一致性,因此,在发热量较大部位的相变材料中插入质量轻的铝热管可以辅助散热,提高电池均温性｡目前相变材料冷却多用于电子设备散热｡相变材料作为一种被动换能材料具有节能､环保等优势,目前产业处于起步阶段,未来技术突破将驱动产业加快发展,未来市场前景广阔｡

2 通信电子方向热管理行业观察

通信行业是上下连接 TMT 各领域的重要纽带, 通过整合各类资源(包括水电､网络､土地等)承载上层 TMT 的各类应用,是数字流量与传统周期品连接的入口,“碳中和”将对其中细分环节的长期趋势产生深远影响｡

2.1 通信电子行业热管理需求

2.1.1 消费电子领域

智能手机､平板电脑和可穿戴设备等消费电子产品的快速增长要求产品性能的不断提高,增加了散热需求｡随着5G 时代带来的换机潮,预计到2023 年智能手机出货量将达到15.4 亿部｡5G 手机在拥有更强性能､更快速度的同时,也带来了功耗增加的弊端,对散热的要求进一步提高｡智能手机的功耗主要来源于处理器､屏幕､射频前端､摄像头模组､电池及充电等模块｡5G 时代智能手机进行了全方位的升级,5G 旗舰手机的处理器性能大幅提升､采用高屏幕分辨率及高屏幕刷新率､射频前端模组化及复杂程度提升､摄像头模组升级､电池容量及充电功率增加,在此背景下,5G 手机对散热的要求进一步提高｡根据Wind资讯的统计数据,2012-2020 年平板电脑出货量保持高速增长,虽然近几年略有下滑,但预计未来下降速度会有所缓和｡随着硬件性能和可扩展性的不断提升,已经有部分平板电脑具有替代笔记本电脑的能力,但高性能平板电脑的散热问题仍需进一步解决｡根据IDC 发布的数据,预计2022 年可穿戴设备市场可达到1.9 亿台｡Apple Watch 中具有医疗传感器､无线充电､压力传感器､触觉反馈､蓝宝石和SIP 封装等技术特点,其中的无线充电､芯片等对散热都提出了更高的要求｡可穿戴设备中的芯片､电池､屏幕等都会增加散热的需求｡

2.1.2 5G 基站领域

基站架构包括 BBU(Base Band Unite,基带处理单元)和AAU AAU(Active Antenna Unit,有源天线),4G 为RRU(Remote Radio Unit,射频处理单元) 天线｡5G 基站引入Massive MIMO 技术,典型应用是64T64R,单基站典型功耗超过3500W,而4G 基站主要采用4T4R MIMO,单基站典型功耗仅1000W左右｡从基站功耗数据的构成看,BBU 功耗相对稳定,与所插板件相关,受业务负荷的影响不大,而5G AAU 功耗相对于4G 有3 倍左右的提升,因此在5G 基站的推广过程中亟需更节能的器件及更有效的散热｡

2.1.3 服务器/IDC 领域

CPU 散热关乎服务器性能､成本和稳定性｡有发表在“International Heat Pipe Conference”研究论文指出,服务器单个CPU 核温每提高10℃,可靠性会降低50%;55%的CPU 宕机是因为过热;服务器前部需要保持在25℃以下,才能稳定工作｡

目前,用于服务器散热的空调因能源载荷高于IT 设备,已成为决定数据中心PUE 的关键要素｡根据HP 统计,数据中心的能耗中仅有33%用于IT 负荷,而整体散热能源负荷能耗却高达63%,散热负荷已经远远超过了IT 设备｡目前,机房中散热空调的载荷主要来自主机设备(包括服务器､存储､网络等)､外部辅助设备,发热量约占机房总热量的80%~95%｡而在主设备中,服务器所产生的热量约占80%左右｡

数据中心是碳排放的重要来源｡近年来,国家发布了一系列政策,快速推进数据中心绿色发展｡政策主要手段为督促提高数据中心效率,降低数据中心PUE｡随着政策对PUE 要求趋严,提高数据中心中的可再生能源比例和进一步提高制冷效率的重要性进一步提高｡

2.2 通信电子领域散热设计解决方案

2.2.1 热管和VC 渗透到智能手机,5G 单机散热ASP 显著提升

传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等 TIM 材料为主,但是石墨片存在导热系数相对较低,TIM 材料存在厚度相对较大等问题｡在手机品牌商的推动下,热管和VC(Vapor Chamber)均热板开始从电脑､服务器等领域渗透到智能手机终端,并且在石墨烯材料持续取得突破,也开始切入到消费电子散热应用｡相对而言,VC 和石墨烯的导热系数高,厚度薄,是散热材料的更优选择｡

2020 年2 月份发布的小米10 系列手机采用了VC 均热板石墨烯 6 层石墨的“三明治”散热系统,大大提升了整机散热能力;三星Galaxy S20 Ultra采用VC 均热板石墨高导碳纤维垫片的散热方案｡2020 年3 月发布的华为P40 pro 手机采用VC 均热板 3D 石墨烯的散热方案;VIVO NEX 3s､OPPOFind X2 采用VC 均热板散热技术｡综合来看,现阶段传统手机散热方案难以单独满5G 手机散热要求,以VC 均热板为主､石墨及石墨烯等为辅的散热组合或成为主流散热方案｡

2.2.2 半固态压铸件吹胀板,5G 基站壳体价值量提升

目前主流的基站散热方案为:BBU 正面使用鳍片散热片覆盖PCB,仅仅露出电源部分,背面使用金属散热片和热管/均热板,而内部使用导热界面材料(TIM)｡AAU/RRU 由于功耗大幅增加,除了在内部使用TIM 材料填充缝隙之外,还需要使用重量更轻､散热性能更好的压铸壳体,对翅片设计､壳体材料以及壳体压铸工艺都提出更高要求｡为解决5G 基站AAU 的散热问题,可以从采用液冷散热方式､新型的散热材料､新型的结构设计方向入手｡

基站热管/均热板等液冷散热模组具有诸多优势:导热速度快;可承受热流密度大,消除系统热点;不存在异种金属连接,反复的温度变化不会破坏连接;与热源面直接接触,减少接触热阻,宽度与长度方向任意调整｡

半固态压铸件具有重量轻和散热性能好的优势,吹胀板具有热传导效率高､制冷速度快的优势,相比于传统的散热材料及方案,“半固态压铸件吹胀板”有望成为5G 基站AAU 散热的主流方案｡随着5G 商用基站大规模建设的推进,将进而驱动半固态压铸件和吹胀板散热市场规模的增长｡

基站厂商还可以采用新型结构设计来提升基站的散热能力｡例如散热片结构中的散热齿,下部热量上部扩散,造成散热齿结构上部温度高,降低散热效率,成为散热瓶颈｡中兴通讯采用独特的V 齿结构设计,改进散热气流,使冷空气正面进两侧出,避免热级联,散热提升20%,成为业界首创｡华为也采用了独创的仿生散热技术——辊压接合散热齿,同样使基站的整体散热能力提升20%｡

2.2.3 液冷和两相传热技术有望成为服务器散热标配

我国大部分数据中心采用风冷技术进行降温处理,随着5G 数据中心能耗密度提高,传统的空气冷却散热系统已不能完全满足服务器散热需求｡之后,IDC冷却技术也发展出了冷冻水自然冷､直接/间接蒸发冷却方案等方案,但直接与服务器接触的冷媒仍然是空气｡下一步,液冷和两相传热技术将凭借低能耗､高散热效率､低噪音等优势有望取代风冷､成为主流｡

液冷方案优势明显,海外云计算巨头逐步采用液冷技术｡2018 年,Google宣布将在其数据中心采用液冷技术,并表示今后其数据中心的降温方式将向液冷方向转变｡微软､英特尔､IBM､HP 等公司也已经在液冷技术领域布局｡目前,全球高密集度､高供电密度的超大型数据中心已逐渐采用液冷技术｡根据咨询机构IDC 预测,抛开传统的大规模数据中心不计,未来有大概20%的边缘计算数据中心也将采用液技术｡Research And Markets 数据显示,到2023 年,全球液冷数据中心市场规模将达45.5 亿美元,年复合增长率将达27.7%｡国内外主流厂商都在推进液冷技术研究,除了美国的部分公司外,国内以曙光节能､阿里为代表的厂商也陆续推出了系列液冷产品｡

全浸没式液冷式服务器将成为未来技术大方向｡液冷主要有冷板､浸没和喷淋 3 种技术路线,冷板式液冷目前已经得到了较多的商业应用案例(例如神威太湖之光),而全浸没式液冷将是超高能耗密度IDC 发展的大方向｡目前,国内液冷服务器标准得到了阿里､腾讯等云计算厂商的推动,中科曙光､浪潮信息等服务器厂商和以英维克为代表的温控解决方案商都纷纷跟进,近年来得到了快速发展｡2020 年1 月6 日,ODCC 与阿里在北京举办了“浸没式液冷数据中心开源发布会”｡会上,阿里宣布正式开放“浸没式液冷数据中心技术规范”,指出基于自主研发的液冷､深层水冷等技术,数据中心能效的整体节能效果超过70%,浸没式液冷数据中心已经全面应用于张北数据中心,将每万笔电商交易的耗电量控制在2 度电以内,实现“绿色双11”的目标｡

对于 230W 以上CPU 功耗的服务器,基于ThermaSyphon 的两相虹吸热管技术是解决在紧凑机架体积内高密度布置服务器单元的最佳手段｡

2.2.4 导热材料主要用于解决电子设备的热管理问题

导热材料按应用方式分为两类,一类为导热界面材料,一类为导热传热材料｡导热界面材料主要是应用于系统热界面之间,通过对粗糙不平的结合表面填充,用导热系数远高于空气的热界面材料替代不传热的空气,使通过热界面的热阻变小,提高半导体组件的散热效率,行业又称“热界面材料”｡中电标协热管理工作委员会在2021 年也发布了第一版《导热界面材料研究报告(2021)》,全面对导热界面材料进行了介绍｡

传统的导热传热材料主要是金属材料,如铜､铝､银等｡但是金属材料密度大,膨胀系数高,在要求高导热效率的场合尚不能满足使用要求(如银､铜､铝的导热系数分别为430W/m.K, 400W/m.K, 238 W/m.K)｡导热石墨片具有独特的晶粒取向,可沿两个方向均匀导热;其通过将手机发热的中心温度分布到一个大区域以便均匀地散热｡相较于热管､均温板等散热材料,石墨散热膜具有柔韧性好､质量轻薄的性能优势,且易于贴合于摄像头模组､手机中框､芯片等各种电子元器件中｡基于多元化､组合化的散热方案逐渐成为市场主流,多种散热材料协同运作的背景下,石墨散热膜仍是目前及今后主流散热材料,市场需求量可观｡而增加石墨散热膜热通量则是其未来发展的主要方向之一。

多层石墨片是当前智能机主流散热方式｡石墨是一种良好的导热材料,导热性超过钢､铁､铅等多种金属材料｡石墨片的工作原理是利用其在在水平方向上具有优异的导热系数的特点(性能好的石墨片导热系数能达到1500-1800W/m·K,而一般的纯铜的导热系数为380W/m·K,高的导热系数有利于热量的扩散),能够迅速降低电子产品工作时发热元件所在位置的温度(热点温度),使得电子产品温度趋于均匀化,这会扩大散热表面积以达到降低整个电子产品的温度,提高电子产品的工作稳定性及使用寿命｡智能手机中使用石墨片的部件有CPU､电池､无线充电､天线等｡

2.3 通信电子方向热管理行业观察小结

(1) 多元化､组合化散热方案逐渐成为市场主流

在 5G 时代,作为基础散热材料的石墨散热膜,可与热管､均温板､石墨烯散热膜等高效散热材料搭配使用,在高端智能设备市场发挥巨大优势,且不断向中低端智能设备渗透｡未来,电子产品､5G 基站､大型服务器等设备的散热方案均将朝着多材料､立体化的组合散热方式继续迈进,逐渐演变为多种材料“协同运作､并驾齐驱”的散热模式｡

(2)石墨散热膜未来仍为主流散热材料,市场需求可观,并朝着高热通量方向发展

材料的热通量是指单位面积的材料在单位时间内所传递的热能｡通常情况下,材料厚度越大,单位时间内可传递的热能更多,其热通量也就越高,散热效果越好｡通过增加石墨散热膜厚度进而加大热通量的方法能较好匹配5G 时代高功率电子设备的散热需求｡石墨散热膜由于材料特性,本身厚度薄､质量轻,最大厚度也不及热管､均温板的1/2,因此增加石墨散热膜厚度提高材料热通量,既不会影响电子产品轻薄便携､美观的形态要求,还可以进一步提升各元器件和整机的散热效率,增强电子产品可靠性｡高热通量石墨散热膜是5G 时代极具性能优势的散热材料之一｡

通过增加材料厚度提高热通量通常可采用两种途径,一种是将常规石墨散热膜反复粘贴胶带叠加在一起,但由于胶类材料热阻通常较高,导致多层石墨膜散热效果并不理想;另一种则是采用超厚PI 膜通过特殊工艺烧制而成,无需使用胶带粘合,生产的高热通量的厚石墨膜具有更好的散热效果｡

制作高热通量的厚石墨散热膜不仅要求原材料 PI 膜到达相应厚度,同时还对生产商核心技术的掌握程度､生产工艺的熟悉程度以及操作人员的专业素质都有着较高要求。

(3)热管及均温板渗透率不断增加,并朝着超轻､超薄､高强度方向发展

随着电子产品朝着超轻､超薄化的趋势演变,将热管和均温板的厚度控制在合理范围且仍保持优秀的散热效果将面临极大挑战,尤其在生产工艺上,需要保证其内部拥有高毛细力与一定的内腔空间以供液体和蒸汽充分循环流动,维持良好的散热效果｡对于热管,在压缩厚度并维持高性能同时,不仅需要选择合适的毛细结构,同时还需要保证工作中蒸汽的传播速率,例如利用凹槽型毛细结构设计并在狭小的内腔中开辟新的通道,使得工作时蒸汽流动通道加大同时也进一步降低整体厚度,这对生产商的技术储备以及设计能力都有着极高的要求｡而降低均温板的厚度条件通常更为苛刻,一方面,均温板制作工艺复杂､精细化程度较高,厚度越薄,则铜片封合的间隙越难掌控,封合阶段的良品率也就越低;另一方面,均温板厚度越薄,意味着其内部毛细通道与蒸汽通道空间越小､蒸汽的有效传播距离更短,均温板的工作性能也将损失更多｡因此,生产商封合技术的先进性以及对内部蒸汽通道的合理设计将成为制造高强度超薄均温板的关键｡

(4)拥有优质特性和成本优势的石墨烯膜将成为极具竞争力的散热材料

石墨烯拥有其他材料所不具备的特殊性能,如优异的电学性能､出色的机械性能､超高的导热性､优异的阻隔性能等,可运用于能源､环境､电子､化工等多类行业,具备良好的发展前景｡

由于石墨烯在面内方向是各向同性的,在平面内的热传导不会存在方向性,通过独特的加工工艺,可得到任意厚度(特别是超厚)的石墨烯散热膜｡石墨烯散热膜导热效率实验可达5300W/m.K,因此将石墨烯用于散热材料领域,开发新型石墨烯散热薄膜为大势所趋｡

此外,石墨烯散热膜还具有良好的耐弯折性及柔韧性,在折叠屏､柔性屏等智能设备散热方案中占据优势,是未来极具竞争力的散热材料｡

石墨烯散热膜系通过氧化还原天然石墨得到原材料后加工制成,相较于石墨散热膜,在材料成本方面更具优势｡但由于目前石墨烯加工工艺复杂,对设备投资､研发实力､人员技能的要求较为苛刻,能熟练掌握全套生产工艺的厂商较少,产品良率偏低｡同时,由于产线前期投资较高,产品规模效应尚未凸显,目前产品单位成本普遍偏高｡未来,随着加工工艺不断优化与改进,石墨烯散热膜的生产质量将进一步得到保障,产､销量持续扩大,成本优势逐渐体现,成为极具市场竞争力的新型散热材料｡

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首次发布时间：2022-06-24

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