高热流密度电子设备液冷技术研究进展

1液体冷却技术的研究进展

1.1微通道冷却

Tuckerman等人提出了微通道的概念，通过使用宽度分别为50μm和深度分别为300μm的水冷微通道，在790W/cm2的热流密度下实现散热。与传统通道冷却相比，微通道的尺寸较小（通常在10到200μm之间），但其散热能力远大于传统通道冷却。这主要是因为在相同的散热条件下，微通道的数量更多，有效散热面积更大，因此单位时间的传热更大。

微通道的小水力直径使得沿冷却路径的压降特别重要，因为它与流体的质量流量有关，并决定微通道的传热效率。随着质量流量的增加，沿流道的压降将减少，需要额外的泵功率消耗来补偿增加的压力损失或承受效率损失。为了提高散热能力并将压降损失保持在较小范围内，研究人员进行了结构优化设计，以增加传热面积。

1.2喷雾冷却

冷却液从喷嘴喷出后，形成大量小液滴，然后喷射到电子设备的热表面上。在热源表面形成液膜并进行剧烈热交换后，热源的热量被吸收。随着液膜的流动或蒸发，吸收的热量被带走，然后冷凝并收集在循环系统的热交换器中。除了具有更高的冷却能力外，喷雾冷却还可以通过更少的液体存储实现精确的温度控制，同时在喷雾覆盖的表面上形成均匀的温度分布。通过控制受热面和冷却液流量并忽略热管理系统，实验室中实现了最大热流密度（1200W/cm2），但在实际工程中很难实现这一临界热流密度。影响喷雾冷却效果的因素主要分为四类：雾化特性（喷雾流量、速度、角度和液滴直径等）、表面性质（表面粗糙度、尺寸和几何形状以及表面涂层）、液体性质、流体性质、添加剂和纳米流体，及其外部环境特征（不凝性气体和微重力等）。

1.3喷射冷却

射流冷却的工作原理是，高速射流在热源表面形成非常薄的液膜，并进行强烈的热交换。同时，射流本身带来的强对流换热也提高了射流的冷却和换热能力。与均匀散热的喷雾冷却不同，喷射冷却可以在冲击点周围实现强大的传热效果，可以有效解决局部热集中区域的散热问题。射流冷却可分为自由射流和淹没射流。自由射流是冷却剂对暴露在空气中的电子设备表面的影响，以实现传热；浸没射流是将电子设备浸没在冷却剂中，通过冷却剂对传热表面的冲击来增加周围冷却剂的流量，从而加强传热。

1.4浸入式冷却

浸入式冷却是一种无源全液冷却技术，其中电子元件完全浸入冷却介质中。对于单相浸入式系统，冷却液在传热过程中始终为液体，电子设备的冷却通过系统循环实现。对于两相浸入系统，当冷却液温度上升到饱和温度以上时，将导致冷却液沸腾，产生的气泡将导致流动混合，电子设备冷却将通过对流换热实现。在受热面上形成的气泡上升到介电液体上方的蒸汽室，然后通过风冷热交换器冷凝以释放热量。与封闭浸入式液体冷却相比，开放浸入式液体冷却的主要优点是它没有封闭的外壳，这提高了整个设备的可靠性，同时降低了系统维护成本。对浸入式液体冷却技术的表面特性、临界热流密度增强、传热相关性和综合性能的基础研究极大地促进了浸入式液体冷却技术的应用。

2液体冷却技术的发展趋势

2.1微通道直接集成到芯片中

50多年来，摩尔定律一直是电子设备的指导原则，但随着先进制造工艺的进一步缩减，摩尔定律的发展已进入后摩尔时代。通过引入诸如晶体管器件的单片堆栈等结构设计概念，摩尔定律在“替代”水平上的发展成为可能。先进制造业，如2.5D和3D，已经能够通过互连技术将不同的芯片封装成更灵活和可扩展的芯片组。这使得芯片内部的热源重叠，三维封装导致芯片中间的热传导。通过增加器件内部热点的硅通道密度，实现了有效的温度控制。然而，面对热流密度更高的芯片，研究人员提出通过在堆叠芯片中嵌入微通道，允许冷却剂直接进入器件以减少传热路径，来解决高功率器件的散热问题。

2.2局部高热流密度散热技术

晶体管器件的单片堆叠不仅可以提供更高的组装密度，还可以显著提高电子器件的功能和性能，从而推进摩尔定律。然而，这必然会使印制板芯片面积的局部热密度超过1kW/cm2，并且印制板的其他部分有不同的散热要求。因此，如何在资源有限的情况下实现局部高热流密度的快速散热是冷却技术的一个重要研究方向。从前面的介绍可以看出，射流冷却技术可以有效地解决局部高热流密度区域的快速散热问题，是解决大功率器件集中散热方向最有前途的液体冷却技术。

2.3加强换热表面，提高散热效率

研究表明，表面强化技术可以有效提高现有液体冷却技术的传热能力。该领域的最新研究集中于表面强化对传热特性的影响。对于单相液体冷却，表面强化结构可以增加流体扰动，实现更高的传热能力和更好的温度均匀性。对于两相液体冷却，合理的表面强化可以促进从单相状态过渡到两相状态，并减少相变所需的过热度。表面强化可以在多种尺度上实现，包括宏观、微观和纳米尺度，以及至少两个或三个组合表面。表面改性包括但不限于鳍/微纤、多孔/微孔结构、粗糙表面、微腔、纳米管、纳米纤维和纳米粒子沉积。

2.4新型高效冷却介质

目前，电子设备的冷却剂主要是水溶性液体、氟碳化合物和电介质液体。水溶性液体不具有直接接触电子设备的绝缘特性，这增加了整个冷却系统的复杂性。介质流体可以有效地解决电绝缘问题，但其传热能力较低。纳米流体因其强大的传热特性而成为研究热点。碳基纳米流体本身具有疏水性，阻止其在极性液体（水）中分散，导致稳定性差。氧化物纳米粒子是研究最广泛的，主要是因为其高稳定性、低成本和良好的导热性。磁性纳米粒子通常包含铁磁性材料，除了增强的传热性能外，还具有普通流体的流动性，同时还具有类似于其他磁性材料的磁性。这种优异的性能使得可以使用外部磁场来控制液体的运动，以达到良好的传热要求。

3结论

经过多年的发展，液体冷却技术已逐渐从基础理论转向实际应用，但仍面临着对电子器件散热的严格要求。需要具有高传热性能的创新机制、技术和冷却液，如高性能电子设备，以充分消除其产生的热量，以实现预期的性能和耐久性。如何使用最有效的冷却技术来确保电子设备的稳定运行仍然是一个主题。随着理论研究的深入和技术的成熟，传统的液体冷却技术仍然是电子设备散热的主要选择。通过换热表面强化和混合协同冷却，可以进一步提高传统液体冷却技术的散热能力。新兴的冷却技术，如微通道和新型流体可以极大地改善电子设备的散热，但它们面临着基础理论研究不足和技术成熟度低的现状。然而，新兴技术、新型冷却剂和传统液体冷却技术的结合可以满足高热电子设备的冷却要求，这部分研究需要进一步加强。

参考文献

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