在碳達(dá)峰?碳中和大背景下,汽車?電力電子?通信行業(yè)等作為高能耗產(chǎn)業(yè),綠色轉(zhuǎn)型的需求愈發(fā)迫切,“十四五”期間為碳達(dá)峰的關(guān)鍵時(shí)間窗口,碳控排政策力度有望超預(yù)期,熱管理行業(yè)即將迎來新的發(fā)展機(jī)遇?我國熱管理產(chǎn)業(yè)民族企業(yè)整體實(shí)力仍然不強(qiáng),大部分企業(yè)徘徊在中低端領(lǐng)域,同質(zhì)化嚴(yán)重,主要依靠價(jià)格優(yōu)勢維持生存?高端材料及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展受到制約,不僅高端產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口,甚至部分中低端產(chǎn)品亦無法實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化

熱控及熱管理產(chǎn)業(yè)作為未來工業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心,必定是具有前瞻性?先導(dǎo)性和探索性的戰(zhàn)略必爭高地,應(yīng)緊握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來的機(jī)遇,大力發(fā)展實(shí)施熱管理產(chǎn)業(yè),推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展?

在雙循環(huán)和新的國際經(jīng)濟(jì)環(huán)境下,國內(nèi)企業(yè)對供應(yīng)鏈的訴求空前高漲,下游廠商對來自于本土的上游供應(yīng)商的重視程度顯著提高?

1 熱管理產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)觀察

科研技術(shù)牽引產(chǎn)業(yè)發(fā)展,下面從電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域?通信電子行業(yè)?新能源汽車三條思路出發(fā),探討熱管理行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈組成?

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域熱管理技術(shù)發(fā)展

“雙碳”目標(biāo)下,電力行業(yè)亟需推進(jìn)節(jié)能減排,優(yōu)化資源供給結(jié)構(gòu)?除對可靠性及熱管理要求較高的發(fā)電及傳輸電網(wǎng)以外,儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入可有效優(yōu)化電力行業(yè)供需關(guān)系?降低可再生資源發(fā)電棄風(fēng)棄光率?降低用戶端的綜合用電成本等?當(dāng)前儲(chǔ)能系統(tǒng)主要應(yīng)用在大型發(fā)電廠,未來隨著國家政策持續(xù)支持以及儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展,儲(chǔ)能系統(tǒng)將向配電端和用戶端滲透?然而,近年來儲(chǔ)能電站事故頻發(fā),2021 年以來已發(fā)生了多起重大事故,儲(chǔ)能電站熱管理的市場關(guān)注度提升?常見的電力行業(yè)熱管理技術(shù)包括風(fēng)冷/液冷散熱,風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡單?成本低?易維護(hù),但最大的缺點(diǎn)就是散熱效果不佳?液冷與風(fēng)冷相比的優(yōu)勢是散熱效果好?除傳統(tǒng)的散熱方式外,間接蒸發(fā)冷卻被廣泛運(yùn)用在儲(chǔ)能場景中,間接蒸發(fā)冷卻兼?zhèn)涓咝Ш凸?jié)能?除此之外,相變材料也是當(dāng)前比較熱門的散熱方式之一,利用材料相間變化時(shí)的吸放熱,可以高效進(jìn)行熱管理?未來熱管理方式將繼續(xù)以高效和節(jié)能為目標(biāo),不斷發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)異的冷媒,使得儲(chǔ)能系統(tǒng)更加安全和穩(wěn)定?

隨著國家政策大力支持儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模有望快速增長,為熱管理行業(yè)帶來極大的成長機(jī)會(huì)?

儲(chǔ)能系統(tǒng)按照儲(chǔ)存介質(zhì)可分為機(jī)械類儲(chǔ)能?電氣類儲(chǔ)能?電化學(xué)類儲(chǔ)能?熱儲(chǔ)能和化學(xué)類儲(chǔ)能?抽水蓄能發(fā)展最為成熟,化學(xué)儲(chǔ)能為未來發(fā)展方向?

電化學(xué)儲(chǔ)能快速增長,可再生能源并網(wǎng)為未來儲(chǔ)能裝機(jī)驅(qū)動(dòng)因素?近年來,國內(nèi)外電化學(xué)儲(chǔ)能均呈快速增長態(tài)勢?在新增電化學(xué)儲(chǔ)能的應(yīng)用中,主要以可再生能源并網(wǎng)為主?根據(jù) BNEF 數(shù)據(jù),2020 年中國新增電化學(xué)儲(chǔ)能中,可再生能源并網(wǎng)儲(chǔ)能占比為 40%左右?

對于電化學(xué)儲(chǔ)能來說,溫度控制的好壞直接影響整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)熱失控,造成事故?其可采用的冷卻方式也有多種方向?

1.1.1 單相流體冷卻方式(空冷/液冷)

空冷/液冷通過空氣/液體流經(jīng)發(fā)熱部件,通過接觸換熱的方式進(jìn)行降溫?空冷結(jié)構(gòu)簡單?成本低?易維護(hù),相較于液冷和相變材料冷卻,空冷的穩(wěn)定性好,但空氣的低熱導(dǎo)率限制了空冷系統(tǒng)的冷卻性能,所以空冷系統(tǒng)冷卻速度較慢,散熱效果不佳,雖然強(qiáng)制風(fēng)冷可加強(qiáng)氣流運(yùn)動(dòng),提高散熱效率,但使用風(fēng)扇或氣泵強(qiáng)制對流將造成系統(tǒng)能量損失?液冷冷卻的冷卻劑為液體,相對空氣來說,液體具有更大的比熱容?溫度傳遞快?吸收熱量大等優(yōu)點(diǎn)?同體積液體帶走的熱量顯著大于風(fēng)冷,熱傳導(dǎo)的效率亦顯著高于空冷,液冷冷卻技術(shù)優(yōu)勢明顯?液冷技術(shù)可以分為間接制冷和直接制冷兩種方式,對于電力設(shè)備,考慮到安全問題,一般 以間接制冷為主?

1.1.2 蒸發(fā)冷卻技術(shù)

蒸發(fā)冷卻方式是一種具有優(yōu)異冷卻效果且能隨負(fù)荷變化自平衡的冷卻方式?蒸發(fā)冷卻分為直接蒸發(fā)冷卻(Direct Evaporative Cooling,DEC)和間接蒸發(fā)冷卻(Indirect Evaporative Cooling,IEC)?直接蒸發(fā)冷卻是將水直接噴淋于未飽和濕空氣中,使空氣等焓增濕?降溫?由于空氣與水直接接觸,使其含濕量增加,因此存在一定的應(yīng)用限制?間接蒸發(fā)冷是工作介質(zhì)先經(jīng)直接蒸發(fā)冷卻設(shè)備處理,流經(jīng)換熱器通道一側(cè),形成濕通道,產(chǎn)出介質(zhì)流過干側(cè)通道,濕側(cè)介質(zhì)吸收干燥介質(zhì)的熱量,借助于濕表面蒸發(fā),從而冷卻產(chǎn)出介質(zhì)?由于工作介質(zhì)不與水直接接觸,其含濕量不變,實(shí)現(xiàn)空氣的等濕降溫?常見的間接蒸發(fā)冷卻的冷卻介質(zhì)為冷媒水?

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)高效節(jié)能兼具?間接蒸發(fā)節(jié)能技術(shù)具有三種工作模式:當(dāng)室外溫度較低時(shí),直接換熱器換熱模式;室外溫度升高時(shí),開啟間接蒸發(fā)模式;當(dāng)室外溫度較高時(shí),啟動(dòng)機(jī)械制冷模式?間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)可從自然環(huán)境中獲取冷量,與一般常規(guī)機(jī)械制冷相比,具備較為顯著的節(jié)能效應(yīng)?

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展完善,應(yīng)用場景廣泛? 按照冷卻器結(jié)構(gòu)可以分為板式間接蒸發(fā)冷卻器和管式間接蒸發(fā)冷卻器兩種形式?板式間接蒸發(fā)冷卻器優(yōu)點(diǎn)是換熱效率高?制造工藝比較成熟,應(yīng)用較多?存在的主要問題是流道窄小,容易堵塞,隨著運(yùn)行時(shí)間增加,換熱效率急劇降低,流動(dòng)阻力大,布水不均勻?浸潤能力較差,同時(shí)由于使用的金屬材料易被腐蝕,造成結(jié)垢?維護(hù)困難等?管式間接蒸發(fā)冷卻器優(yōu)點(diǎn)是布水均勻,容易形成穩(wěn)定水膜,有利于蒸發(fā)冷卻的進(jìn)行,空氣流道較寬,不會(huì)產(chǎn)生堵塞,因而流動(dòng)阻力小,且二次空氣流道和風(fēng)機(jī)便于布置?存在的主要問題是占地空間較大?目前間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)已大量應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心?發(fā)電端?化工?冶金?軌道?機(jī)場?醫(yī)藥和市政商用領(lǐng)域?根據(jù)不同的使用場景,可分為分體式?嵌裝式和頂置式?

不同應(yīng)用場景下,間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)制冷方案和其他自然冷卻方法相比優(yōu)勢明顯:對于發(fā)電-電動(dòng)機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域而言: 1)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無泵自循環(huán),運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部壓力低,發(fā)生工質(zhì)泄漏的可能性小?2)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行狀態(tài),無需外加調(diào)節(jié)控制裝置? 3)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)絕緣具有高絕緣性與不燃性,即使發(fā)生介質(zhì)泄漏問題,也不會(huì)造成短路等重大事故,因此具有較好的安全性? 4)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)散熱能力強(qiáng),采用管道內(nèi)冷的形式應(yīng)用于發(fā)電-電動(dòng)機(jī)定子線棒冷卻上,可有效降低銅導(dǎo)桿與主絕緣間溫差,使線棒在軸向和周向上溫度分布更均勻,從而降低熱應(yīng)力?提高主絕緣壽命? 5)蒸發(fā)

冷卻系統(tǒng)維護(hù)方便,運(yùn)行?維護(hù)成本低? 對于數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域而言: 1)自然冷源利用效率高? 2)換熱鏈路短,高效換熱? 3)集成度高,環(huán)境要求簡單?4)與傳統(tǒng)機(jī)械制冷方法相比,可實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能? 5)戶外安裝的制冷設(shè)備使得空氣處理機(jī)組的維護(hù)更方便?

1.1.3 相變材料儲(chǔ)能

相變材料是一類溫度變化時(shí)發(fā)生相變的材料,一般利用相變過程吸收或釋放大量潛熱,以達(dá)到熱管理的目的?常見相變材料按物理狀態(tài)可分為氣固相變?固液相變?固固相變和氣液相變四類,氣固和氣液相變材料雖然儲(chǔ)能密度大,但是發(fā)生相變過程時(shí)體積變化較大,不利于實(shí)際應(yīng)用;固固相變材料在相變過程中體積變化小,無氣?液泄漏風(fēng)險(xiǎn),但是材料難以獲取,且相變溫度較高;相比之下,固液相變材料在熔化或凝固過程中體積變化小,熔點(diǎn)低,相變潛熱大,因此受到廣泛應(yīng)用?

相變材料儲(chǔ)熱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是散熱效果好,無需消耗電池額外能量,同時(shí)可用于散熱和加熱使用;缺點(diǎn)是相變前的低熱導(dǎo)率和相變傳熱的遲緩性會(huì)限制其在極端服役工況下的應(yīng)用?相變材料儲(chǔ)熱方法已有較多研究,其適用范圍廣,但當(dāng)電池發(fā)熱量小,未達(dá)到相變材料熔點(diǎn)時(shí),相變材料無法通過相變過程潛熱,即相變冷卻失效,所以相變材料冷卻適用于發(fā)熱量較大的電池包?考慮到在大倍率放電過程中電池發(fā)熱量的不一致性,因此,在發(fā)熱量較大部位的相變材料中插入質(zhì)量輕的鋁熱管可以輔助散熱,提高電池均溫性?目前相變材料冷卻多用于電子設(shè)備散熱?相變材料作為一種被動(dòng)換能材料具有節(jié)能?環(huán)保等優(yōu)勢,目前產(chǎn)業(yè)處于起步階段,未來技術(shù)突破將驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展,未來市場前景廣闊?

2 通信電子方向熱管理行業(yè)觀察

通信行業(yè)是上下連接 TMT 各領(lǐng)域的重要紐帶, 通過整合各類資源(包括水電?網(wǎng)絡(luò)?土地等)承載上層 TMT 的各類應(yīng)用,是數(shù)字流量與傳統(tǒng)周期品連接的入口,“碳中和”將對其中細(xì)分環(huán)節(jié)的長期趨勢產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響?

2.1 通信電子行業(yè)熱管理需求

2.1.1 消費(fèi)電子領(lǐng)域

智能手機(jī)?平板電腦和可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子產(chǎn)品的快速增長要求產(chǎn)品性能的不斷提高,增加了散熱需求?隨著 5G 時(shí)代帶來的換機(jī)潮,預(yù)計(jì)到 2023 年智能手機(jī)出貨量將達(dá)到 15.4 億部?5G 手機(jī)在擁有更強(qiáng)性能?更快速度的同時(shí),也帶來了功耗增加的弊端,對散熱的要求進(jìn)一步提高?智能手機(jī)的功耗主要來源于處理器?屏幕?射頻前端?攝像頭模組?電池及充電等模塊?5G 時(shí)代智能手機(jī)進(jìn)行了全方位的升級,5G 旗艦手機(jī)的處理器性能大幅提升?采用高屏幕分辨率及高屏幕刷新率?射頻前端模組化及復(fù)雜程度提升?攝像頭模組升級?電池容量及充電功率增加,在此背景下,5G 手機(jī)對散熱的要求進(jìn)一步提高?根據(jù) Wind資訊的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2012-2020 年平板電腦出貨量保持高速增長,雖然近幾年略有下滑,但預(yù)計(jì)未來下降速度會(huì)有所緩和?隨著硬件性能和可擴(kuò)展性的不斷提升,已經(jīng)有部分平板電腦具有替代筆記本電腦的能力,但高性能平板電腦的散熱問題仍需進(jìn)一步解決?根據(jù) IDC 發(fā)布的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì) 2022 年可穿戴設(shè)備市場可達(dá)到1.9 億臺(tái)?Apple Watch 中具有醫(yī)療傳感器?無線充電?壓力傳感器?觸覺反饋?藍(lán)寶石和 SIP 封裝等技術(shù)特點(diǎn),其中的無線充電?芯片等對散熱都提出了更高的要求?可穿戴設(shè)備中的芯片?電池?屏幕等都會(huì)增加散熱的需求?

2.1.2 5G 基站領(lǐng)域

基站架構(gòu)包括 BBU(Base Band Unite,基帶處理 單元)和 AAU AAU(Active Antenna Unit,有源天線),4G 為 RRU(Remote Radio Unit,射頻處理單元)+天線?5G 基站引入 Massive MIMO 技術(shù),典型應(yīng)用是 64T64R,單基站典型功耗超過 3500W,而 4G 基站主要采用 4T4R MIMO,單基站典型功耗僅 1000W左右?從基站功耗數(shù)據(jù)的構(gòu)成來看,BBU 功耗相對穩(wěn)定,與所插板件相關(guān),受業(yè)務(wù)負(fù)荷的影響不大,而 5G AAU 功耗相對于 4G 有 3 倍左右的提升,因此在5G 基站的推廣過程中亟需更節(jié)能的器件及更有效的散熱?

2.1.3 服務(wù)器/IDC 領(lǐng)域

CPU 散熱關(guān)乎服務(wù)器性能?成本和穩(wěn)定性?有發(fā)表在“International Heat Pipe Conference”研究論文指出,服務(wù)器單個(gè) CPU 核溫每提高 10℃,可靠性會(huì)降低 50%;55%的 CPU 宕機(jī)是因?yàn)檫^熱;服務(wù)器前部需要保持在 25℃以下,才能穩(wěn)定工作?

目前,用于服務(wù)器散熱的空調(diào)因能源載荷高于 IT 設(shè)備,已成為決定數(shù)據(jù)中心 PUE 的關(guān)鍵要素?根據(jù) HP 統(tǒng)計(jì),數(shù)據(jù)中心的能耗中僅有 33%用于 IT 負(fù)荷,而整體散熱能源負(fù)荷能耗卻高達(dá) 63%,散熱負(fù)荷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 IT 設(shè)備?目前,機(jī)房中散熱空調(diào)的載荷主要來自主機(jī)設(shè)備(包括服務(wù)器?存儲(chǔ)?網(wǎng)絡(luò)等)?外部輔助設(shè)備,發(fā)熱量約占機(jī)房總熱量的 80%~95%?而在主設(shè)備中,服務(wù)器所產(chǎn)生的熱量約占 80%左右?

數(shù)據(jù)中心是碳排放的重要來源?近年來,國家發(fā)布了一系列政策,快速推進(jìn)數(shù)據(jù)中心綠色發(fā)展?政策主要手段為督促提高數(shù)據(jù)中心效率,降低數(shù)據(jù)中心 PUE?隨著政策對 PUE 要求趨嚴(yán),提高數(shù)據(jù)中心中的可再生能源比例和進(jìn)一步提高制冷效率的重要性進(jìn)一步提高?

2.2 通信電子領(lǐng)域散熱設(shè)計(jì)解決方案

2.2.1 熱管和 VC 滲透到智能手機(jī),5G 單機(jī)散熱 ASP 顯著提升

傳統(tǒng)手機(jī)散熱材料以石墨片和導(dǎo)熱凝膠等 TIM 材料為主,但是石墨片存在導(dǎo)熱系數(shù)相對較低,TIM 材料存在厚度相對較大等問題?在手機(jī)品牌商的推動(dòng)下,熱管和 VC(Vapor Chamber)均熱板開始從電腦?服務(wù)器等領(lǐng)域滲透到智能手機(jī)終端,并且在石墨烯材料持續(xù)取得突破,也開始切入到消費(fèi)電子散熱應(yīng)用?相對而言,VC 和石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高,厚度薄,是散熱材料的更優(yōu)選擇?

2020 年 2 月份發(fā)布的小米 10 系列手機(jī)采用了 VC 均熱板+石墨烯+6 層石墨的“三明治”散熱系統(tǒng),大大提升了整機(jī)散熱能力;三星 Galaxy S20 Ultra采用 VC 均熱板+石墨+高導(dǎo)碳纖維墊片的散熱方案?2020 年 3 月發(fā)布的華為P40 pro 手機(jī)采用 VC 均熱板+3D 石墨烯的散熱方案;VIVO NEX 3s?OPPOFind X2 采用 VC 均熱板散熱技術(shù)?綜合來看,現(xiàn)階段傳統(tǒng)手機(jī)散熱方案難以單獨(dú)滿 5G 手機(jī)散熱要求,以 VC 均熱板為主?石墨及石墨烯等為輔的散熱組合或成為主流散熱方案?

2.2.2 半固態(tài)壓鑄件+吹脹板,5G 基站殼體價(jià)值量提升

目前主流的基站散熱方案為:BBU 正面使用鰭片散熱片覆蓋 PCB,僅僅露出電源部分,背面使用金屬散熱片和熱管/均熱板,而內(nèi)部使用導(dǎo)熱界面材料(TIM)?AAU/RRU 由于功耗大幅增加,除了在內(nèi)部使用 TIM 材料填充縫隙之外,還需要使用重量更輕?散熱性能更好的壓鑄殼體,對翅片設(shè)計(jì)?殼體材料以及殼體壓鑄工藝都提出更高要求?為解決 5G 基站 AAU 的散熱問題,可以從采用液冷散熱方式?新型的散熱材料?新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向入手?

基站熱管/均熱板等液冷散熱模組具有諸多優(yōu)勢:導(dǎo)熱速度快;可承受熱流密度大,消除系統(tǒng)熱點(diǎn);不存在異種金屬連接,反復(fù)的溫度變化不會(huì)破壞連接;與熱源面直接接觸,減少接觸熱阻,寬度與長度方向任意調(diào)整?

半固態(tài)壓鑄件具有重量輕和散熱性能好的優(yōu)勢,吹脹板具有熱傳導(dǎo)效率高?制冷速度快的優(yōu)勢,相比于傳統(tǒng)的散熱材料及方案,“半固態(tài)壓鑄件+吹脹板”有望成為 5G 基站 AAU 散熱的主流方案?隨著 5G 商用基站大規(guī)模建設(shè)的推進(jìn),將進(jìn)而驅(qū)動(dòng)半固態(tài)壓鑄件和吹脹板散熱市場規(guī)模的增長?

基站廠商還可以采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提升基站的散熱能力?例如散熱片結(jié)構(gòu)中的散熱齒,下部熱量上部擴(kuò)散,造成散熱齒結(jié)構(gòu)上部溫度高,降低散熱效率,成為散熱瓶頸?中興通訊采用獨(dú)特的 V 齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),改進(jìn)散熱氣流,使冷空氣正面進(jìn)兩側(cè)出,避免熱級聯(lián),散熱提升 20%,成為業(yè)界首創(chuàng)?華為也采用了獨(dú)創(chuàng)的仿生散熱技術(shù)——輥壓接合散熱齒,同樣使基站的整體散熱能力提升 20%?

2.2.3 液冷和兩相傳熱技術(shù)有望成為服務(wù)器散熱標(biāo)配

我國大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行降溫處理,隨著 5G 數(shù)據(jù)中心能耗密度提高,傳統(tǒng)的空氣冷卻散熱系統(tǒng)已不能完全滿足服務(wù)器散熱需求?之后,IDC冷卻技術(shù)也發(fā)展出了冷凍水自然冷?直接/間接蒸發(fā)冷卻方案等方案,但直接與服務(wù)器接觸的冷媒仍然是空氣?下一步,液冷和兩相傳熱技術(shù)將憑借低能耗?高散熱效率?低噪音等優(yōu)勢有望取代風(fēng)冷?成為主流?

液冷方案優(yōu)勢明顯,海外云計(jì)算巨頭逐步采用液冷技術(shù)?2018 年,Google宣布將在其數(shù)據(jù)中心采用液冷技術(shù),并表示今后其數(shù)據(jù)中心的降溫方式將向液冷方向轉(zhuǎn)變?微軟?英特爾?IBM?HP 等公司也已經(jīng)在液冷技術(shù)領(lǐng)域布局?目前,全球高密集度?高供電密度的超大型數(shù)據(jù)中心已逐漸采用液冷技術(shù)?根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu) IDC 預(yù)測,拋開傳統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)中心不計(jì),未來有大概 20%的邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心也將采用液技術(shù)?Research And Markets 數(shù)據(jù)顯示,到 2023 年,全球液冷數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達(dá) 45.5 億美元,年復(fù)合增長率將達(dá) 27.7%?國內(nèi)外主流廠商都在推進(jìn)液冷技術(shù)研究,除了美國的部分公司外,國內(nèi)以曙光節(jié)能?阿里為代表的廠商也陸續(xù)推出了系列液冷產(chǎn)品?

全浸沒式液冷式服務(wù)器將成為未來技術(shù)大方向?液冷主要有冷板?浸沒和噴淋 3 種技術(shù)路線,冷板式液冷目前已經(jīng)得到了較多的商業(yè)應(yīng)用案例(例如神威太湖之光),而全浸沒式液冷將是超高能耗密度 IDC 發(fā)展的大方向?目前,國內(nèi)液冷服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)得到了阿里?騰訊等云計(jì)算廠商的推動(dòng),中科曙光?浪潮信息等服務(wù)器廠商和以英維克為代表的溫控解決方案商都紛紛跟進(jìn),近年來得到了快速發(fā)展?2020 年 1 月 6 日,ODCC 與阿里在北京舉辦了“浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心開源發(fā)布會(huì)”?會(huì)上,阿里宣布正式開放“浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心技術(shù)規(guī)范”,指出基于自主研發(fā)的液冷?深層水冷等技術(shù),數(shù)據(jù)中心能效的整體節(jié)能效果超過70%,浸沒式液冷數(shù)據(jù)中心已經(jīng)全面應(yīng)用于張北數(shù)據(jù)中心,將每萬筆電商交易的耗電量控制在 2 度電以內(nèi),實(shí)現(xiàn)“綠色雙 11”的目標(biāo)?

對于 230W 以上 CPU 功耗的服務(wù)器,基于 ThermaSyphon 的兩相虹吸熱管技術(shù)是解決在緊湊機(jī)架體積內(nèi)高密度布置服務(wù)器單元的最佳手段?

2.2.4 導(dǎo)熱材料主要用于解決電子設(shè)備的熱管理問題

導(dǎo)熱材料按應(yīng)用方式分為兩類,一類為導(dǎo)熱界面材料,一類為導(dǎo)熱傳熱材料?導(dǎo)熱界面材料主要是應(yīng)用于系統(tǒng)熱界面之間,通過對粗糙不平的結(jié)合表面填充,用導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣的熱界面材料替代不傳熱的空氣,使通過熱界面的熱阻變小,提高半導(dǎo)體組件的散熱效率,行業(yè)又稱“熱界面材料”?中電標(biāo)協(xié)熱管理工作委員會(huì)在 2021 年也發(fā)布了第一版《導(dǎo)熱界面材料研究報(bào)告(2021)》,全面對導(dǎo)熱界面材料進(jìn)行了介紹?

傳統(tǒng)的導(dǎo)熱傳熱材料主要是金屬材料,如銅?鋁?銀等?但是金屬材料密度大,膨脹系數(shù)高,在要求高導(dǎo)熱效率的場合尚不能滿足使用要求(如銀?銅?鋁的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 430W/m.K, 400W/m.K, 238 W/m.K)?導(dǎo)熱石墨片具有獨(dú)特的晶粒取向,可沿兩個(gè)方向均勻?qū)?/span>;其通過將手機(jī)發(fā)熱的中心溫度分布到一個(gè)大區(qū)域以便均勻地散熱?相較于熱管?均溫板等散熱材料,石墨散熱膜具有柔韌性好?質(zhì)量輕薄的性能優(yōu)勢,且易于貼合于攝像頭模組?手機(jī)中框?芯片等各種電子元器件中?基于多元化?組合化的散熱方案逐漸成為市場主流,多種散熱材料協(xié)同運(yùn)作的背景下,石墨散熱膜仍是目前及今后主流散熱材料,市場需求量可觀?而增加石墨散熱膜熱通量則是其未來發(fā)展的主要方向之一。

多層石墨片是當(dāng)前智能機(jī)主流散熱方式?石墨是一種良好的導(dǎo)熱材料,導(dǎo)熱性超過鋼?鐵?鉛等多種金屬材料?石墨片的工作原理是利用其在在水平方向上具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)(性能好的石墨片導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到 1500-1800W/m·K,而一般的純銅的導(dǎo)熱系數(shù)為 380W/m·K,高的導(dǎo)熱系數(shù)有利于熱量的擴(kuò)散),能夠迅速降低電子產(chǎn)品工作時(shí)發(fā)熱元件所在位置的溫度(熱點(diǎn)溫度),使得電子產(chǎn)品溫度趨于均勻化,這會(huì)擴(kuò)大散熱表面積以達(dá)到降低整個(gè)電子產(chǎn)品的溫度,提高電子產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性及使用壽命?智能手機(jī)中使用石墨片的部件有CPU?電池?無線充電?天線等?

2.3 通信電子方向熱管理行業(yè)觀察小結(jié)

(1) 多元化?組合化散熱方案逐漸成為市場主流

在 5G 時(shí)代,作為基礎(chǔ)散熱材料的石墨散熱膜,可與熱管?均溫板?石墨烯散熱膜等高效散熱材料搭配使用,在高端智能設(shè)備市場發(fā)揮巨大優(yōu)勢,且不斷向中低端智能設(shè)備滲透?未來,電子產(chǎn)品?5G 基站?大型服務(wù)器等設(shè)備的散熱方案均將朝著多材料?立體化的組合散熱方式繼續(xù)邁進(jìn),逐漸演變?yōu)槎喾N材料“協(xié)同運(yùn)作?并駕齊驅(qū)”的散熱模式?

(2)石墨散熱膜未來仍為主流散熱材料,市場需求可觀,并朝著高熱通量方向發(fā)展

材料的熱通量是指單位面積的材料在單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱能?通常情況下,材料厚度越大,單位時(shí)間內(nèi)可傳遞的熱能更多,其熱通量也就越高,散熱效果越好?通過增加石墨散熱膜厚度進(jìn)而加大熱通量的方法能較好匹配 5G 時(shí)代高功率電子設(shè)備的散熱需求?石墨散熱膜由于材料特性,本身厚度薄?質(zhì)量輕,最大厚度也不及熱管?均溫板的 1/2,因此增加石墨散熱膜厚度提高材料熱通量,既不會(huì)影響電子產(chǎn)品輕薄便攜?美觀的形態(tài)要求,還可以進(jìn)一步提升各元器件和整機(jī)的散熱效率,增強(qiáng)電子產(chǎn)品可靠性?高熱通量石墨散熱膜是 5G 時(shí)代極具性能優(yōu)勢的散熱材料之一?

通過增加材料厚度提高熱通量通?？刹捎脙煞N途徑,一種是將常規(guī)石墨散熱膜反復(fù)粘貼膠帶疊加在一起,但由于膠類材料熱阻通常較高,導(dǎo)致多層石墨膜散熱效果并不理想;另一種則是采用超厚 PI 膜通過特殊工藝燒制而成,無需使用膠帶粘合,生產(chǎn)的高熱通量的厚石墨膜具有更好的散熱效果?

制作高熱通量的厚石墨散熱膜不僅要求原材料 PI 膜到達(dá)相應(yīng)厚度,同時(shí)還對生產(chǎn)商核心技術(shù)的掌握程度?生產(chǎn)工藝的熟悉程度以及操作人員的專業(yè)素質(zhì)都有著較高要求

(3)熱管及均溫板滲透率不斷增加,并朝著超輕?超薄?高強(qiáng)度方向發(fā)展

隨著電子產(chǎn)品朝著超輕?超薄化的趨勢演變,將熱管和均溫板的厚度控制在合理范圍且仍保持優(yōu)秀的散熱效果將面臨極大挑戰(zhàn),尤其在生產(chǎn)工藝上,需要保證其內(nèi)部擁有高毛細(xì)力與一定的內(nèi)腔空間以供液體和蒸汽充分循環(huán)流動(dòng),維持良好的散熱效果?對于熱管,在壓縮厚度并維持高性能同時(shí),不僅需要選擇合適的毛細(xì)結(jié)構(gòu),同時(shí)還需要保證工作中蒸汽的傳播速率,例如利用凹槽型毛細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在狹小的內(nèi)腔中開辟新的通道,使得工作時(shí)蒸汽流動(dòng)通道加大同時(shí)也進(jìn)一步降低整體厚度,這對生產(chǎn)商的技術(shù)儲(chǔ)備以及設(shè)計(jì)能力都有著極高的要求?而降低均溫板的厚度條件通常更為苛刻,一方面,均溫板制作工藝復(fù)雜?精細(xì)化程度較高,厚度越薄,則銅片封合的間隙越難掌控,封合階段的良品率也就越低;另一 方面,均溫板厚度越薄,意味著其內(nèi)部毛細(xì)通道與蒸汽通道空間越小?蒸汽的有效傳播距離更短,均溫板的工作性能也將損失更多?因此,生產(chǎn)商封合技術(shù)的先進(jìn)性以及對內(nèi)部蒸汽通道的合理設(shè)計(jì)將成為制造高強(qiáng)度超薄均溫板的關(guān)鍵?

(4)擁有優(yōu)質(zhì)特性和成本優(yōu)勢的石墨烯膜將成為極具競爭力的散熱材料

石墨烯擁有其他材料所不具備的特殊性能,如優(yōu)異的電學(xué)性能?出色的機(jī)械性能?超高的導(dǎo)熱性?優(yōu)異的阻隔性能等,可運(yùn)用于能源?環(huán)境?電子?化工等多類行業(yè),具備良好的發(fā)展前景?

由于石墨烯在面內(nèi)方向是各向同性的,在平面內(nèi)的熱傳導(dǎo)不會(huì)存在方向性,通過獨(dú)特的加工工藝,可得到任意厚度(特別是超厚)的石墨烯散熱膜?石墨烯散熱膜導(dǎo)熱效率實(shí)驗(yàn)可達(dá) 5300W/m.K,因此將石墨烯用于散熱材料領(lǐng)域,開發(fā)新型石墨烯散熱薄膜為大勢所趨?

此外,石墨烯散熱膜還具有良好的耐彎折性及柔韌性,在折疊屏?柔性屏等智能設(shè)備散熱方案中占據(jù)優(yōu)勢,是未來極具競爭力的散熱材料?

石墨烯散熱膜系通過氧化還原天然石墨得到原材料后加工制成,相較于石墨散熱膜,在材料成本方面更具優(yōu)勢?但由于目前石墨烯加工工藝復(fù)雜,對設(shè)備投資?研發(fā)實(shí)力?人員技能的要求較為苛刻,能熟練掌握全套生產(chǎn)工藝的廠商較少,產(chǎn)品良率偏低?同時(shí),由于產(chǎn)線前期投資較高,產(chǎn)品規(guī)模效應(yīng)尚未凸顯,目前產(chǎn)品單位成本普遍偏高?未來,隨著加工工藝不斷優(yōu)化與改進(jìn),石墨烯散熱膜的生產(chǎn)質(zhì)量將進(jìn)一步得到保障,產(chǎn)?銷量持續(xù)擴(kuò)大,成本優(yōu)勢逐漸體現(xiàn),成為極具市場競爭力的新型散熱材料?

未完待續(xù)，期待下篇。

來源：《熱控及熱管理》期刊

作者：孫萌

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