熊世明 王藝涵 周天駿 霍文杰 王晨 張程賓*

東南大學能源與環(huán)境學院

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元件的熱流密度顯著增加，某些芯片上局部可達到1.5 kW/cm2[1]。為了更好地解決芯片散熱問題，提高其工作穩(wěn)定性，學者們提出風冷[2-4]、熱管冷卻[5-8]、熱電冷卻[9-11]以及液冷[12-13]等冷卻方法。浸沒式冷卻屬于液體相變冷卻，高熱流的電子芯片浸沒在絕緣冷卻液中，絕緣液體在芯片表面發(fā)生沸騰相變，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的優(yōu)點，在電子散熱領(lǐng)域具有良好的應用前景。本文從浸沒式冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，分別介紹了浸沒式相變冷卻系統(tǒng)涉及的核態(tài)沸騰和流動沸騰換熱機理以及浸沒式冷卻系統(tǒng)換熱性能強化手段，最后對未來進一步研究方向進行展望，以期為國內(nèi)外從事熱管理行業(yè)的專家學者、工程師提供有關(guān)浸沒冷卻散熱技術(shù)方面的說明。

1 浸沒式相變冷卻系統(tǒng)

浸沒式相變冷卻系統(tǒng)由蒸發(fā)段、冷凝段、循環(huán)系統(tǒng)組成。蒸發(fā)段中電子元件浸沒在絕緣液體中，液體吸熱沸騰帶走電子器件產(chǎn)生的熱量。沸騰產(chǎn)生的蒸汽在冷凝段完成冷凝，經(jīng)循環(huán)管路返回至蒸發(fā)段繼續(xù)吸收熱量，冷凝方式可采用空冷、水冷。

1.1 蒸發(fā)段

相變冷卻過程工作介質(zhì)需要和電子設(shè)備直接接觸，對材料的相容性要求很高，即冷卻液應具有良好的化學穩(wěn)定性、電惰性、絕緣性，以及較低的沸點。兩相系統(tǒng)中，流體內(nèi)部的汽泡運動引起流體介電常數(shù)、損耗因素等電性質(zhì)的瞬時空間不連續(xù)，該電性質(zhì)與電子通信設(shè)備的頻率相關(guān)[14]。梅奧特殊處理器發(fā)展集團（SPPDG）研究人員[15]測試印刷電路板與背板連接器浸沒在不同絕緣液體中各頻率下信號的損耗，發(fā)現(xiàn)其與絕緣液體種類具有一定的關(guān)系。

1.2 冷凝段

冷凝段布置方式有遠程冷凝器與蒸汽室冷凝器兩種。

1）遠程冷凝器：該系統(tǒng)通過管路實現(xiàn)遠程冷凝器布置，管路增加會降低系統(tǒng)的密封性，但冷凝器與蒸發(fā)段相互獨立，可通過增加冷凝器換熱面積強化冷凝滿足系統(tǒng)冷凝需求[16]。

2）蒸汽室冷凝器（圖1[17]）：該系統(tǒng)冷凝管換熱面積增加受到限制，一般通過增大冷凝工質(zhì)流速、降低冷凝工質(zhì)溫度、采用螺旋冷凝管等措施增強換熱效果。相對于遠程冷凝器，增強冷凝效果更復雜。

圖1 蒸汽冷凝室

1.3 循環(huán)段

循環(huán)段按照有無循環(huán)泵分為被動式相變冷卻與主動式相變冷卻。

1）被動式相變冷卻（圖2[18]）：蒸發(fā)段開始工作產(chǎn)生蒸汽時，由于工作流體的蒸汽相比液體密度小會形成壓力差，使流體能夠自然流動。系統(tǒng)的流體流量取決于元件的散熱量、工作流體的蒸氣與液體的密度比及冷凝器相對于蒸發(fā)段的垂直高度，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠有效適應中等熱負荷密度。

圖2 被動式相變冷卻

2）主動式相變冷卻：主動兩相冷卻類似于傳統(tǒng)的液體回路，工作流體被泵送通過冷板以吸收來自功率電子器件的熱量。由于系統(tǒng)中有循環(huán)泵驅(qū)動工質(zhì)流動，因此該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠適應更高熱流量的需求。

2 沸騰相變傳熱機理

沸騰是伴隨有劇烈氣液相變的對流傳熱，研究相關(guān)模型機制對浸沒相變冷卻傳熱強化具有指導意義。

2.1 核態(tài)沸騰

核態(tài)沸騰產(chǎn)生大量氣泡，并且氣泡頻繁脫離壁面造成熱邊界層內(nèi)液體的強烈擾動，使得系統(tǒng)能夠在低溫度下具有高熱量去除率，同時保持較低壁面過熱度較低，使電子設(shè)備高效工作。

1）核態(tài)沸騰模型機制

核態(tài)沸騰換熱系數(shù)與氣泡運動密切相關(guān)，研究氣泡成長脫離等動力學行為對核態(tài)沸騰換熱研究具有很大的促進作用。Demiray與Myers等[19-20]利用微型加熱元件陣列測量了成核氣泡的傳熱過程，結(jié)果表明氣泡增長所需的大部分能量來自于氣泡周圍的過熱層。張[21]研究了近壁面處氣泡動力學對傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)高過冷狀態(tài)下脫離后的氣泡可能會與壁面新產(chǎn)生的氣泡合并，增加氣泡脫離頻率，增強換熱效果。Zuber[22]將普通表面的沸騰分為三種狀態(tài)。①“層流”，氣泡在活動腔中間歇性地形成并保持從形成到離開的特性。②“動蕩”，其中一些氣泡與它們的前身合并。③幾乎所有的氣泡都與它們的前身結(jié)合在一起，在活躍的腔體中形成蒸汽柱。Ghiu等[23]研究了銅和石英的單層結(jié)構(gòu)的氟碳液體池沸騰的換熱特性，表面通道結(jié)構(gòu)強化了氣泡運動，如圖3所示。

圖3 增強表面高熱流密度

2）臨界熱流密度

為避免熱流密度過高導致傳熱工況惡化，臨界熱流密度的準確測定對確定浸沒冷卻系統(tǒng)散熱極限十分關(guān)鍵。王等[24]基于數(shù)值模擬結(jié)果判斷當達到臨界熱流密度時平均氣泡覆蓋面積超過沸騰總表面積50%。Ding等[25]通過建立考慮壓力、質(zhì)量流量、壓力、傾角等影響因素的模型，探明臨界熱流度強烈地依賴于壁的過熱，同時壁面潤濕性和粗糙度會影響臨界熱流密度。董等[26]對常用的20個CHF公式的準確性及適用范圍做了比較，發(fā)現(xiàn)El-Genk-Guo公式[27]與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

總的來說，池沸騰臨界熱流密度模型都是在有限實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出的，各有局限性。合理有效地引入臨界熱流的影響因素，提出合理應用范圍更廣的關(guān)聯(lián)式，是有待解決的問題。

2.2 流動沸騰

流動沸騰與核態(tài)沸騰的差別在于存在流體的整體宏觀運動，換熱效果比核態(tài)沸騰效果好，但是換熱機理更加復雜。

Lee等[28]對硅基微通道中飽和流動沸騰進行試驗，熱流量較低時換熱系數(shù)與熱流量成正比例，較高熱流量條件下?lián)Q熱系數(shù)基本不受熱流量影響，換熱模型由核態(tài)沸騰主導轉(zhuǎn)變?yōu)閷α鲹Q熱主導。Qu等[29]測試了飽和水在微通道散熱器中的流動沸騰換熱特性，結(jié)果表明飽和流動沸騰換熱系數(shù)與質(zhì)量流量有很強相關(guān)性，與熱流量基本無關(guān)，驗證了強制對流沸騰為主導的機制。Yin等[30]研究了微通道中流動沸騰氣泡限制與伸長對換熱性能的影響，結(jié)果表明在流動沸騰開始氣泡自由發(fā)展時生長速率隨質(zhì)量流量增大而增大。

流動沸騰臨界熱流密度除與外界條件有關(guān)外，還與兩相流型有著密切關(guān)系。Hebel等[31]提出一類加熱表面空泡模型，該模型假設(shè)氣泡離開壁面時由于受到徑向力作用而減慢，致使液體不能與加熱表面接觸換熱，蒸發(fā)速率降低，導致?lián)Q熱工況惡化。Galloway與Mudawar[32]實驗觀測到熱流密度為臨界熱流密度的90%時，氣泡在加熱表面聚集形成連續(xù)的氣相層，液體通過汽液兩相界面不穩(wěn)定性產(chǎn)生的潤濕前沿與加熱表面接觸。當潤濕前沿消失時，液體不能及時向加熱表面供應，導致臨界熱流密度的出現(xiàn)。然而多數(shù)臨界熱流密度模型與計算關(guān)聯(lián)式通過有限的實驗推導，具有局限性。

3 浸沒式相變冷卻性能強化

浸沒式相變冷卻性能強化成為研究熱門方向之一。散熱器表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、充液率優(yōu)化及選用優(yōu)良性能冷卻液是相變冷卻性能強化的重要途徑。

3.1 散熱器表面的影響

散熱器采用多孔表面[33-35]、涂層表面[36]、微通道結(jié)構(gòu)表面[37-38]能夠有效增強沸騰換熱效果，是浸沒式冷卻換熱強化的有效手段。S.El-Genk等[39]實驗研究了多孔石墨表面對FC-72和HFE-7100核態(tài)沸騰換熱強化，如圖4所示，結(jié)果表明核態(tài)沸騰中FC-72在多孔石墨表面的最大換熱系數(shù)遠高于平板銅，同時壁面過熱度比平板銅低。Yuki等[40]研究了大氣壓力下具有藕狀多孔的銅介質(zhì)對核態(tài)沸騰換熱的強化。過熱度為5～10 K時，多孔表面熱量傳遞系數(shù)比裸表面的高2～3倍，但是臨界熱流密度幾乎與裸表面相同。Wu等[41]實驗研究了薄層親水性二氧化鈦（TiO2）涂層對核態(tài)沸騰和CHF的影響，由于親水性TiO2表面可產(chǎn)生更有效的固液相互作用，減少由生長的氣泡引起的干斑，以水和FC-72作為冷卻介質(zhì)時TiO2涂層表面相比光滑銅表面分別使臨界熱流密度增加了50.4%和38.2%。

圖4 多孔表面加熱示意圖

3.2 充液率的影響

充液率定義為蒸發(fā)器中液體工作介質(zhì)的體積所占蒸發(fā)器液池體積的百分比，采用適當?shù)某湟郝士蓮娀崞鲹Q熱性能。胡等[42]研究表明在散熱熱通量小于時，充液率增大將使芯片表面溫度降低。熱通量大于該值時，增大充液率反而將提高芯片溫度。Xue[43]測定了大功率發(fā)光二極管在不同充液率下乙醇的散熱性能，結(jié)果表明由于充液率的升高液體沸騰所需的熱量增加，導致散熱達到穩(wěn)定的時間增長，理想充液率在33.14%～43.75%。Aniruddha與Yogendra[44]研究表明不同充液率條件下加熱表面壓頭不同，從而影響氣泡產(chǎn)生，相應的換熱性能受到影響。

3.3 冷卻液的影響

實驗研究中通常選用碳氟化物（FC-72，F(xiàn)C-87，PF-5060）或者氫氟化物（HFE-7000，HFE-7100，HFE-7300）作為冷卻液，近年來學者們對不同冷卻液體的換熱特性進行了相關(guān)實驗研究。董等[45]結(jié)合數(shù)值模擬與實驗比較了合成烴基類冷卻液（PAO）與乙二醇類冷卻液（#65）的傳熱性能，結(jié)果顯示65#冷卻液比PAO有著更好的散熱性能。Warrier等[46]采用計算機輔助分子設(shè)計方法（CAMD）和優(yōu)值系數(shù)分析（FOM）方法，篩選出C6H11F13作為冷卻液介質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)C6H11F13與HFE7200混合比例為7%時池沸騰傳熱性能更好。納米流體[47]通過加入微小顆粒形成懸浮工作液，該混合物具有優(yōu)異的導熱性能，在浸沒冷卻微通道中換熱方面具有潛在的應用，然而目前納米流體許多理論的熱物理性質(zhì)的實驗結(jié)果不一致，需要進一步深入研究。

4 結(jié)論與展望

浸沒相變冷卻作為一種高效的換熱方式，可以有效降低散熱耗能、縮減電子設(shè)備散熱空間，具有深遠的意義。浸沒式相變系統(tǒng)需要良好的密封性，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計更加復雜，現(xiàn)階段仍缺乏系統(tǒng)綜合設(shè)計數(shù)據(jù)。由于沸騰的復雜性，對沸騰換熱機理認識尚不完全，缺乏較為準確通用的機制模型。浸沒式相變冷卻系統(tǒng)的沸騰-冷凝耦合的相變傳熱機理尚不清晰，芯片表面不均勻熱流分布及表面微結(jié)構(gòu)對氣液兩相流動的影響有待揭示具有高的化學穩(wěn)定性、電惰性、絕緣性和良好熱物性的冷卻介質(zhì)仍有待探究。為解決這些問題，提高浸沒式相變冷卻性能，下一步工作主要是：

1）運用先進的可視化與測量技術(shù)，實驗探究浸沒式冷卻沸騰傳熱機理，建立更加通用的浸沒式冷卻系統(tǒng)沸騰傳熱模型。

2）制備具有優(yōu)良換熱性能與化學穩(wěn)定性的冷卻液，并進一步探索電信號在冷卻液體中的傳輸特性變化。

3）進行浸沒式冷卻系統(tǒng)實驗，優(yōu)化創(chuàng)新浸沒式冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改進封裝工藝，使結(jié)構(gòu)緊湊，減少換熱熱阻，提升其工作效率與可靠性。