齊文亮， 趙亮， 王婉人， 劉琦

(1.中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所， 西安 710068； 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心空氣動力學國家重點實驗室， 綿陽 621000)

近年來，電子工業(yè)和半導體技術(shù)以及微組裝能力的快速發(fā)展，高頻化、高集成化以及小型化已經(jīng)成為電子設(shè)備的發(fā)展方向，電子設(shè)備的熱流密已經(jīng)達到并超過100 W/cm2，如固體激光器晶體、電阻陣列、GaN功率芯片等[1]。冷卻技術(shù)的研究與應用是高熱流電子設(shè)備中一個復雜的系統(tǒng)工作，不僅是為了滿足散熱要求，還要考慮冷卻效率以及冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的成本[2]。因此，如何解決電子設(shè)備核心器件的高效散熱是目前亟需解決的問題[3]。

被動冷卻和主動冷卻是電子設(shè)備兩種重要的散熱方式。被動冷卻如自然對流冷卻、熱電冷卻、熱管和基于相變的冷卻不需要任何外部能量除去電子設(shè)備內(nèi)部的熱量。自然對流冷卻通過擴大換熱表面積可以進一步提高散熱能力[4]，但其散熱極限僅為15 W/cm2。熱管以其卓越的熱性能和高可靠性被廣泛應用于臺式電腦、筆記本電腦、手機和發(fā)光二極管模塊等常見的低功耗消費類電子設(shè)備[5]，應用于高熱流密度的高溫熱管的研究還不夠充分，目前還處于基礎(chǔ)理論研究階段[6]。熱電制冷由于具備能效高、免維護和長壽命等優(yōu)點被廣泛應用于無線傳感器網(wǎng)絡、可穿戴和植入設(shè)備等低功率電子設(shè)備，受制于熱電材料等核心技術(shù)的發(fā)展，熱電制冷還尚未應用在高熱流密度電子設(shè)備中[7-8]。較低的導熱性、流動不穩(wěn)定性等限制了相變冷卻的應用范圍[9]。研究人員設(shè)計了重力驅(qū)動自然對流與相變耦合的散熱系統(tǒng)來提高大功率電力設(shè)備的散熱能力，但冷卻能力依然十分有限[10]。被動冷卻由于結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點在低功耗電子設(shè)備散熱得到了廣泛的應用，但不能有效且不足以應對電子元件不斷增加的熱通量需求。

主動冷卻應用外部能量從電子設(shè)備中快速除去熱量，提供了更高的冷卻能力。強迫風冷、微通道冷卻、噴霧冷卻、射流冷卻、浸沒式冷卻等都屬于這一類。與自然對流相比，強迫風冷通過風扇增強空氣對流的方式可以達到35 W/cm2的散熱能力，但還不能滿足電子設(shè)備散熱需求[11]。最新的研究表明在芯片內(nèi)集成微通道結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)熱流密度高達1 723 W/cm2的散熱[12]，使得微通道技術(shù)有望成為未來散熱技術(shù)的首要選擇。噴霧和射流冷卻在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域有著小范圍的應用[13]，也在不斷嘗試擴大應用范圍，目前水和氟化物的冷卻能力分別超過了1 000 W/cm2和100 W/cm2[14]。浸沒式液冷技術(shù)是目前商業(yè)應用最廣的液冷技術(shù)，已經(jīng)在大型數(shù)據(jù)中心得到成熟的應用[15]。綜上可以看出，解決高熱流密度電子設(shè)備散熱的首選是液冷技術(shù)[16]。

電子設(shè)備的液冷技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)從基礎(chǔ)理論逐步過渡到實際應用。微通道和浸沒式液冷技術(shù)應用得最成熟、最廣泛[17-18]。射流和噴霧冷卻盡管設(shè)備整體要求較嚴格，但還是在一定范圍內(nèi)得到了成熟的應用[19-20]。去離子水是液冷技術(shù)應用最多的冷卻液，但是水的工作溫區(qū)有限，較差的電絕緣性也限制了整個水冷技術(shù)的發(fā)展。采用新型冷卻液(如納米流體、液態(tài)金屬等)取代傳統(tǒng)的以水為代表的冷卻工質(zhì)打破了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的能力極限，但仍然存在很多不足[21]。因此，本文中主要討論電子設(shè)備液冷技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其最新研究進展，簡單介紹微通道冷卻、噴霧冷卻、射流冷卻、浸沒式冷卻等技術(shù)的工作原理，詳細分析每種液冷技術(shù)的優(yōu)缺點及存在的問題。從芯片內(nèi)部熱源散熱、局部強化換熱、換熱表面強化技術(shù)、新型冷卻介質(zhì)以及混合協(xié)同冷卻等幾個方面來討論電子設(shè)備液冷技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，指出研究的難點。最后展望未來電子設(shè)備液冷技術(shù)的研究方向。

1 液冷技術(shù)研究進展

1.1 微通道冷卻

Tuckerman等[22]采用寬度和深度分別為50 μm和300 μm的水冷微通道實現(xiàn)了熱流密度為790 W/cm2環(huán)境下的散熱，并提出了微通道的概念。與常規(guī)槽道冷卻相比，微通道的尺寸較小(通常在10～200 μm)，但其散熱能力遠遠大于傳統(tǒng)槽道冷卻。這主要得益于微通道的通道數(shù)量更多、在相同散熱條件下的有效散熱面積更大，因此單位時間內(nèi)換熱量更大。圖1所示為微通道結(jié)構(gòu)示意圖[23]，圖2所示為微通道在芯片散熱方面的應用[24]。

圖1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)[23]Fig.1 Microchannel heat exchanger structure[23]

圖2 微通道冷卻技術(shù)的應用[24]Fig.2 Application of microchannel cooling technology[24]

微通道的水力直徑較小，因此沿冷卻路徑的壓降特別重要，因為它與流體的質(zhì)量流率有關(guān)，同時決定微通道換熱效率。隨著質(zhì)量流率的增加，流道的沿程壓降將會降低，需要利用額外的泵功耗來彌補增加的壓力損失，或者承受效率的降低[25]。為了提高散熱能力同時保證壓降損失維持在較小范圍內(nèi)，研究人員進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來增加換熱面積，目前的流道結(jié)構(gòu)主要有波浪形、肋槽道、梯形、三角形、漸擴漸縮形、分歧結(jié)構(gòu)以及雙層或多層等[26]。但這些優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)依然存在流道阻塞，并引起局部壓降和溫度損失過大等問題，同時也會增加泵的輸出功率。研究人員從自然界的仿生拓撲結(jié)構(gòu)獲得靈感，設(shè)計了雪花狀、蜘蛛網(wǎng)狀、蜂巢狀、葉脈狀等多種仿生拓撲微通道，研究發(fā)現(xiàn)圖3所示蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的微通道整體性能最好，不僅換熱面積較大而且流體流動性較好[23]。

圖3 仿生拓撲結(jié)構(gòu)示意圖[23]Fig.3 Schematic diagram of bionic topology[23]

微通道液體冷卻系統(tǒng)大致可以分為單相系統(tǒng)和兩相系統(tǒng)。單相冷卻系統(tǒng)中，冷卻液在微通道內(nèi)始終保持液體狀態(tài)，通過對換熱壁面微結(jié)構(gòu)的處理，目前可以達到300 W/cm2的散熱能力[27]。在兩相冷卻系統(tǒng)中冷卻液可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵?，因而表現(xiàn)出更高的換熱能力、更加均勻的表面溫度分布，同時蒸氣的存在使得泵能夠輸出更低的功率，達到了換熱性和流動性都提升的效果。但是兩相冷卻系統(tǒng)核心問題是如何確定最佳的氣液比。氣泡生成并阻塞通道導致冷卻液流動不穩(wěn)定，也會產(chǎn)生逆流等現(xiàn)象，這些都直接影響換熱效果，同時也帶來了溫度隨機波動等問題[28]。微通道目前采用最多的是水、水/乙二醇混合物、氟化物和納米流體等，也有部分研究涉及液態(tài)金屬和超臨界CO2。研究人員圍繞納米流體進行了大量的研究[29-32]。納米流體內(nèi)微粒的大小以及體積濃度對整體換熱效果會有很大的影響，較大的體積濃度必然產(chǎn)生微通道堵塞，引起溫度分布不均勻等問題。因此還需要確定最佳的體積濃度，進一步量化納米流體對換熱效果的影響。

1.2 噴霧冷卻

圖4為噴霧冷卻的原理圖。從中可以看出冷卻液從噴嘴噴出后，形成大量的小液滴，隨即噴到電子設(shè)備熱表面上，在熱源表面形成液膜并進行強烈的熱交換后吸收熱源的熱量，隨著液膜流動或者蒸發(fā)將吸收的熱量帶走，隨后在循環(huán)系統(tǒng)的熱交換器內(nèi)冷凝匯集。除去較高的冷卻能力，噴霧冷卻還可以在較少液體存量的情況下實現(xiàn)精確的溫度控制，同時在整個噴霧覆蓋的表面上形成均勻的溫度分布[11]。實驗室中通過控制加熱表面和冷卻劑流動以及忽略熱管理系統(tǒng)從而獲得了最大的熱通量(1 200 W/cm2[33])，但在實際工程中很難達到此臨界熱通量。

圖4 液體噴霧冷卻原理[19]Fig.4 Schematic view of the spray cooling process[19]

影響噴霧冷卻效果的因素主要分為四類：霧化特性(噴霧流量、速度、角度和液滴直徑等)、表面特性(表面粗糙度、尺寸大小、幾何形狀和表面涂層)、液體特性(流體性質(zhì)、添加劑和納米流體等)及其外部環(huán)境特性(非冷凝性氣體和微重力等)[34]。噴霧冷卻與微通道冷卻相比換熱機理更加復雜，整個換熱系統(tǒng)很難做到緊湊化、小型化，同時為實現(xiàn)良好的霧化效果，噴嘴的壓力普遍偏大，容易引起可靠性問題。通過改變表面結(jié)構(gòu)來增強噴霧冷卻是一種有效且低成本的方法，該方法得益于局部冷卻效率的提高[35]。目前噴霧冷卻液使用最多的是水，同時也根據(jù)冷卻裝置的使用情況選用不同的介電冷卻液[36]。盡管相比于傳統(tǒng)冷卻液，納米流體已經(jīng)表現(xiàn)出很好的冷卻效果，但很少系統(tǒng)研究納米流體在噴霧冷卻換熱方面的應用效果。納米顆粒的懸浮特性，使其很容易沉積在冷熱交替的固體表面，從而增加了傳熱熱阻，同時也容易造成噴嘴堵塞。納米流體在噴霧冷卻方面的研究目前還集中于傳熱機理和傳熱模型，在應用層面的研究還需再進一步加強[37]。

1.3 射流冷卻

射流冷卻的工作原理為高速射流在熱源表面形成很薄的液膜并進行強烈的熱交換，同時射流本身帶來局部強烈的對流換熱也增強了射流冷卻換熱的能力。與噴霧冷卻均勻散熱不同，射流冷卻在撞擊點周圍能夠?qū)崿F(xiàn)極強的換熱效果，能夠有效解決局部熱量集中區(qū)域的散熱問題。射流冷卻可以分為自由射流和浸沒射流。自由射流是冷卻液沖擊暴露在空氣中的電子設(shè)備表面進而實現(xiàn)換熱；浸沒射流是電子設(shè)備沉浸在冷卻液中，通過冷卻液沖擊換熱表面增加周圍冷卻液的流動進行強化換熱。浸沒射流冷卻與浸沒式冷卻具有相同的傳熱機理，是浸沒式冷卻的升級版本[38]。因此，影響浸沒式冷卻的因素也同樣影響浸沒射流冷卻，相對而言浸沒射流冷卻的冷卻效果更加明顯。

研究人員通過增加射流湍流程度(改變噴嘴結(jié)構(gòu)、增加噴射速度)，換熱表面增加涂層(親/疏水表面處理)，改變表面結(jié)構(gòu)(如樹枝狀、翅片、溝槽、多孔和微凹腔結(jié)構(gòu)[39])等方法來提高熱導率，提高冷卻效果。研究發(fā)現(xiàn)液滴以一定頻率連續(xù)撞擊表面的冷卻方式具有更好的冷卻效果，最大熱通量達到170 W/cm2[40-41]。已有的研究射流冷卻都集中于冷卻電子設(shè)備或芯片的上表面。除此之外，不同形狀的電子設(shè)備也會使得上表面的面積很小，單純冷卻上表面并不能達到合理的冷卻效果。Wu等[42]對三種不同形式的射流冷卻方式(圖5)進行了理論、實驗和數(shù)值模擬的對比，結(jié)果表明在受限空間內(nèi)射流體冷卻會獲得最佳的散熱效果。

圖5 三種不同形式的射流冷卻[42]Fig.5 Schematic diagram of three different impingement jets cooling[42]

值得注意的是，射流冷卻只適用于電子設(shè)備的局部換熱，單個噴嘴會導致冷卻區(qū)域的表面溫度不均勻。為實現(xiàn)電子設(shè)備均勻散熱，研究人員也進行了移動式射流冷卻的研究[43]。盡管移動射流可以有效減小液膜厚度，同時增大換熱速率，但整個冷卻系統(tǒng)卻更加復雜，因此對于較寬的表面，應采取多噴嘴陣列布置策略，提升整個表面的換熱系數(shù)，使得溫度分布更加合理[44]。采用多噴嘴陣列冷卻時要合理的選擇每個噴嘴的類型，同時根據(jù)換熱表面的溫度分布合理控制每個噴嘴的流量。但多噴嘴陣列式的冷卻方式存在射流單元間的流動干擾等問題，使換熱環(huán)境更為復雜，同時也降低了整體換熱效果。從電子設(shè)備安全可靠角度考慮，噴射壓力也不能較大[1]。深入了解多噴嘴射流冷卻的控制機制對冷卻效果至關(guān)重要[45]。研究人員已經(jīng)將納米流體應用于電子設(shè)備射流冷卻，但在某些環(huán)境下具有高體積濃度的納米流體并不能提高換熱能力[46]。

1.4 浸沒式冷卻

浸沒式冷卻是一種被動全液體冷卻技術(shù)，其中電子設(shè)備完全浸入冷卻工質(zhì)中[47]。對于單相浸沒式系統(tǒng)，換熱過程中冷卻液始終保持液態(tài)，通過系統(tǒng)循環(huán)實現(xiàn)電子設(shè)備散熱。對于兩相浸沒式系統(tǒng)，冷卻液溫度升高到飽和溫度以上時會引起冷卻液沸騰，產(chǎn)生的氣泡引起流動混合，通過對流換熱來實現(xiàn)電子設(shè)備冷卻[48]。圖6為帶有蒸氣腔的封閉兩相浸沒式液冷示意圖，在加熱表面形成的氣泡上升到介電液上方的蒸氣腔，然后通過風冷換熱器冷凝釋放熱量。相對于封閉浸沒式液冷，開放浸沒式液冷主要的優(yōu)點是沒有封閉的外殼，提高了整體設(shè)備的可靠性，同時減少了系統(tǒng)維護的成本[49]。表面特性、臨界熱通量增強、傳熱關(guān)聯(lián)式和綜合性能等方面的基礎(chǔ)研究極大推進了浸沒式液冷技術(shù)的應用[50]。浸沒式液冷提供了在運行溫度均勻情況下提高可靠性的機會，因為它最大程度地減少運行中常見的問題：系統(tǒng)過熱和溫度波動、風扇故障、噪聲、灰塵、空氣質(zhì)量、腐蝕、電化學遷移等。這些優(yōu)點使得電子設(shè)備液冷技術(shù)中浸沒式液冷應用的最廣泛，商業(yè)化程度最高，已經(jīng)成功應用于整體發(fā)熱功率較大且控溫需求一致性較高的散熱系統(tǒng)[51-52]。

圖6 浸沒式液冷技術(shù)Fig.6 Immersion liquid cooling technology

浸沒式冷卻分為間接浸沒式和直接浸沒式。間接浸沒式冷卻中電子設(shè)備與冷卻液通過熱界面材料隔離。熱量先傳到熱界面材料然后在傳至冷卻液中。間接浸沒式液冷的最大好處是可以靈活地選擇冷卻液，但熱界面材料的導熱率是限制其冷卻性能的最大弊端。直接浸沒式冷卻缺少了熱界面材料，熱量可以直接傳遞到冷卻液，但最大的弊端就是電兼容性。為了保證設(shè)備穩(wěn)定工作，冷卻液只能選擇介電液。但是與水相比，介電液呈現(xiàn)較差的熱屬性，這就使得浸沒式液冷的冷卻能力受到限制。大氣環(huán)境下介電液最大熱流量為48 W/cm2，而水的最大熱流量為202 W/cm2[55]。盡管有如此，采用介電液作為冷卻液的冷卻能力依然高于回路熱管冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。然而，相對于主動液體冷卻策略而言，此熱通量值范圍仍然較差。

該領(lǐng)域最新的研究都集中于換熱表面增強對傳熱特性的影響[47,56]。微/納米表面結(jié)構(gòu)(納米涂層、多孔表面、斜翅微通道)通過改變表面屬性增大毛細驅(qū)動力，流體在驅(qū)動力作用下潤濕壁面，阻止在表面形成蒸汽薄膜，進而影響換熱效果[57]。目前浸沒式液冷技術(shù)發(fā)展的最大爭議就是其可靠性，諸如電子設(shè)備長時間浸沒在冷卻液里是否會出現(xiàn)腐蝕情況進而影響功能和性能，如何延長使用壽命等[58]。最新的研究表明流體中增加固體顆粒可以改善換熱屬性，含有納米流體冷卻液的兩相傳熱機理和傳熱關(guān)聯(lián)式以及與電子設(shè)備的兼容性還需進一步研究[59]。

2 液冷技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 微通道直接集成到芯片內(nèi)部

五十多年來摩爾定律一直是電子設(shè)備發(fā)展的指導原則，但目前隨著先進制程的進一步縮小，摩爾定律的發(fā)展進入了后摩爾時代。晶體管器件的單片堆疊等結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的提出使得摩爾定律在“另類”層面得以繼續(xù)發(fā)展。2.5D、3D等先進制造已經(jīng)可以將不同的芯片通過互聯(lián)技術(shù)封裝成更靈活的可擴展芯片組。這就使得芯片內(nèi)部熱源疊加，立體封裝造成芯片中間熱量無法傳導出。研究人員提出在器件內(nèi)部熱點區(qū)增加硅片通道密度，已經(jīng)實現(xiàn)了有效的溫度控制[60]。然而，面對熱流密度更大的芯片研究人員提出在堆疊芯片內(nèi)部使用嵌入式微通道使冷卻液直接進入器件內(nèi)部減少傳熱路徑以此來解決高功耗器件的散熱問題[61]。

美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)發(fā)布的“芯片內(nèi)/芯片間增強冷卻”(ICECool)計劃主要目的是將微通道技術(shù)應用到高性能計算機內(nèi)，解決超級計算機高效散熱問題[62]。中國電子科技集團第二十九研究所在微流道散熱領(lǐng)域進行了深入研究，目前正在進行第三代散熱技術(shù)嵌入式微流道散熱研究，如圖7所示。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院最新的研究表明將微通道直接嵌入到芯片內(nèi)部的散熱方式，可以使冷卻性能提高了幾個量級，達到了1 723 W/cm2[12]。

圖7 芯片級散熱技術(shù)發(fā)展Fig.7 The development chip cooling technology

盡管還需要對嵌入式微流道系統(tǒng)進行長期穩(wěn)定性測試，但下一代微通道散熱技術(shù)“微槽群復合相變散熱概念”已經(jīng)提出，但這部分研究還處于起步和摸索階段。微通道直接集成技術(shù)成熟度需要進一步提升，目前遇到如下問題。

(1)微流道尺度較小，易受到顆粒阻塞。

(2)兩相微通道由于沸騰產(chǎn)生的氣泡能夠帶來“氣塞”和“返流”現(xiàn)象，這會帶來通道流動不穩(wěn)定引起傳熱惡化的問題。

(3)硅基微流道散熱能力強，但脆性大，結(jié)構(gòu)可靠性差，優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)以提高整個微流道冷卻系統(tǒng)的可靠性是目前需要研究并解決的關(guān)鍵問題[63]。

2.2 局部高熱流密度散熱技術(shù)

晶體管器件的單片堆疊不僅可以提供更高的組裝密度，還可以顯著提高電子設(shè)備的功能和性能，從而推動摩爾定律發(fā)展。但這樣勢必會帶來印制板芯片區(qū)域局部熱密度超過1 kW/cm2，與印制板其他部分存在不同量級的散熱需求[61]。如果對整個器件進行整體散熱會帶來冷卻資源的浪費，因此如何在有限資源條件下實現(xiàn)局部高熱流密度的快速散熱是冷卻技術(shù)研究的一個重要方向。

從前文介紹可以看出射流冷卻技術(shù)能夠有效解決局部高熱流密度區(qū)域的快速散熱問題，是解決大功率器件集中散熱方向最具有發(fā)展前景的液冷技術(shù)[64]。美國在射流冷卻方面取得了很大的成功，已經(jīng)將該技術(shù)成功應用于超級計算機芯片級的集中散熱[65]，同時也研制出嵌入式電子設(shè)備的射流冷卻系統(tǒng)[13]。洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司(Lockheed Martin Space Systems Company，LMT)在ICECool計劃支持下通過微型水滴的射流實現(xiàn)了芯片局部1 kW/cm2熱點的散熱能力[61]。

微通道直接集成到芯片內(nèi)部進行散熱也是局部高熱流密度散熱技術(shù)的一種方式。國外已經(jīng)實現(xiàn)了芯片級的微通道散熱，中國真正意義上的面向芯片級的微通道散熱技術(shù)還未見報道。IBM通過在發(fā)熱芯片上布置水冷板實現(xiàn)了針對服務器芯片的集中散熱，如圖8所示。中國部分研究機構(gòu)通過槽道與微通道組合的復合式冷板實現(xiàn)了熱流密度為50 W/cm2的模塊局部高熱點散熱，但該組合通道散熱模式還沒辦法實現(xiàn)芯片級的散熱。

圖8 水冷IBM服務器[66]Fig.8 Water cooled IBM server[66]

浸沒式液冷系統(tǒng)盡管能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級均勻散熱，但由于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，會在局部形成流動死區(qū)并導致該區(qū)域溫度過高。英國帝國理工大學在受限空間內(nèi)合理布置舌片結(jié)構(gòu)解決了電子設(shè)備局部流動死區(qū)導致熱流密度過大的問題[67]。這也表明對于噴霧和浸沒式這種系統(tǒng)級的散熱技術(shù)通過器件結(jié)構(gòu)的改變也能實現(xiàn)局部高效的換熱[68]。

2.3 換熱表面強化以提高散熱效率

研究表明換熱表面強化技術(shù)能有效提高現(xiàn)有液冷技術(shù)的換熱能力，該領(lǐng)域的最新研究集中于表面增強對傳熱特性的影響[56]。對于單相液冷，表面強化結(jié)構(gòu)可以增加流體擾動，實現(xiàn)較高的換熱能力和較好的溫度均勻性；對于兩相液冷，合理的表面強化會促進冷卻液單相工況向兩相工況轉(zhuǎn)變，降低相變所需的過熱度。表面強化可以在多種尺度上實現(xiàn)，包括宏觀、微觀和納米尺度，以及至少兩到三種的組合表面。表面改性包括但不限于鰭/微鰭、多孔/微孔結(jié)構(gòu)、粗糙表面、微腔、納米管、納米纖維和納米顆粒沉積等。這些表面改性的方法可以通過改變表面粗糙度和接觸角來提高接觸面積，提高氣泡生成頻率，提供更活躍的成核部位和/或改善毛細管的影響，提高傳熱的性能[50]。

表面強化技術(shù)已經(jīng)在微通道和浸沒式液冷技術(shù)中得到了較好的應用。通過主動強化技術(shù)(需要外部動力，如機械混合，抽吸，噴射)強化核態(tài)沸騰的成本較高，且難以在結(jié)構(gòu)緊湊的腔體內(nèi)實現(xiàn)，通過針對換熱表面的被動強化技術(shù)是一種有效的方法。Liter等[69]提出了氣液流動分離通道的概念，通過表面微結(jié)構(gòu)使液體和氣體分開流動，不存在氣液逆流的現(xiàn)象。張?zhí)韀64]設(shè)計的帶蒸汽腔的Ω型平行微槽道避免了氣塞和返流，消除了流動沸騰不穩(wěn)定問題。圖9所示的兩種液體供給方式作為射流概念被提出來，目前最大臨界熱流密度可以達到805 W/cm2[70]。略微復雜的表面結(jié)構(gòu)也可以在沒有射流產(chǎn)生系統(tǒng)的幫助下在浸沒式液冷中產(chǎn)生浸沒射流進而提高換熱能力。射流冷卻的換熱能力也通過在換熱表面采用不同形狀的肋柱/肋片結(jié)構(gòu)得到了強化。陣列式射流與局部表面強化技術(shù)的結(jié)合明顯改善了射流冷卻只能局部冷卻的劣勢，在熱源表面形成均勻的液膜，實現(xiàn)了均勻散熱的目標，并將熱源表面溫差縮小至5～12 K[71]。

圖9 帶有多孔涂層的微通道示意圖[69]Fig.9 The schematic diagram of microchannel with porous coating[69]

盡管表面強化技術(shù)可以有效提高每種液冷技術(shù)的換熱效率，但依然面臨下面一些問題。

(1)表面強化有利于核沸騰，能有效提高浸沒式液冷的換熱能力，但對于微通道而言流動的不穩(wěn)定性會造成微通道內(nèi)溫度波動不利于換熱[72]。

(2)流體中增加固體顆?？梢愿纳茡Q熱屬性，但每種納米顆粒都有合適的濃度，超過臨界值并不利于沸騰換熱性能的增強。含有納米流體冷卻液的兩相傳熱機理和傳熱關(guān)聯(lián)式還需進一步研究[59]。

(3)受限射流沸騰冷卻的表面粗糙度研究相對較少[50]。

2.4 新型高效的冷卻介質(zhì)

目前電子設(shè)備冷卻液主要為水溶性液體、碳氟化合物和電介質(zhì)流體等。水溶性液體不具備絕緣特性，不能直接接觸電子設(shè)備，這就增加了整個冷卻系統(tǒng)的復雜度。電介質(zhì)流體雖然可以有效解決電絕緣問題，但其換熱能力較低。納米流體表現(xiàn)出的強換熱特性使得其成為目前研究的熱點[73]?；谔嫉募{米流體本身的疏水性使其無法分散在極性液體(水)中，導致穩(wěn)定性較差。氧化物納米顆粒是目前研究最廣泛的，主要因為其本身具備高穩(wěn)定性、低成本和良好的導熱特性等。磁性納米顆粒通常包含鐵磁材料，這種納米流體除了增強傳熱特性外，還具有普通流體的流動性，同時還具備了類似于其他磁性材料的磁性特征。這種優(yōu)異的性能使其可用于使用外部磁場來控制液體的運動來達到良好的換熱需求[74]。

液態(tài)金屬主要是指鎵及其合金以及鉍基合金，相比于水溶液表現(xiàn)出更強的換熱能力，同時液態(tài)金屬只需采用小流道結(jié)構(gòu)(水力直徑約1 mm)即可達到水冷微通道的冷卻能力，并且流動阻力很小[75]。中科院理化技術(shù)研究所首次在高性能計算機冷卻中使用液態(tài)金屬[21]，此后液態(tài)金屬作為新型冷卻液逐漸引起了廣泛的關(guān)注。近幾年來，液態(tài)金屬微小流道熱沉備受關(guān)注，這主要源于其在極端高熱流密度冷卻領(lǐng)域的重要價值。將高熱導率納米顆粒摻混進液態(tài)金屬可以進一步提升其熱導率和換熱能力[76]。

基于納米流體和液態(tài)金屬的冷卻液研究已經(jīng)取得了極其豐富的研究成果，但距離其廣泛應用還有很長的一段時間。目前面臨如下問題。

(1)納米流體會需要更大的供液泵功率，同時顆粒團聚、體積濃度、粒徑大小，以及在水介質(zhì)中的不穩(wěn)定性都會影響其傳熱特性，這些因素的研究還要不斷完善。

(2)水冷系統(tǒng)可以通過添加抗凝劑(比如醇類或無機鹽類)降低冷卻液的凝固點，但目前液態(tài)金屬還未找到合適的抗凝劑。

(3)還需進一步拓寬液態(tài)金屬的使用溫區(qū)范圍，特別是找到熔點低于0 ℃及熔點在30～60 ℃的液態(tài)金屬。

(4)液態(tài)金屬的成本較高限制了它的發(fā)展，如何降低液態(tài)金屬的成本，并且解決與常用結(jié)構(gòu)材料的相容性問題。

2.5 混合協(xié)同冷卻

為了實現(xiàn)最大的冷卻效果，應根據(jù)散熱需求制定合理的混合散熱方案，最大限度地發(fā)揮每種液冷技術(shù)的散熱性能，同時，由于受設(shè)備和儀器平臺尺寸限制，其相應散熱裝置應盡可能占用更少空間，不額外引入更多功耗。目前應用最多、普及性最廣的是微型蒸汽壓縮制冷與液冷系統(tǒng)的組合[77]。Oliveira 等[78]將蒸汽壓縮制冷后的冷卻液噴射到換熱表面進行冷卻，整個冷卻系統(tǒng)采用了蒸氣壓縮制冷和射流冷卻技術(shù)，但不可避免造成設(shè)備復雜，同時也帶來了設(shè)備可靠性和經(jīng)濟性等問題。射流和微通道組合冷卻能夠有效避免二者的缺點分別是只能局部冷卻和明顯壓降問題，射流冷卻作為另一種形式的供液方式有效解決了微通道壓降問題，較大幅度的提高了散熱能力[79]。這種組合冷卻方式還處于初步研究階段，同時由于其結(jié)構(gòu)復雜還需對射流特性、流道形式、換熱表面特性等主要參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[71]。目前混合協(xié)同冷卻還處于各種冷卻技術(shù)相互匹配階段，未來電子設(shè)備冷卻應能結(jié)合智能算法實現(xiàn)不能散熱場景下散熱技術(shù)的合理調(diào)控，從而實現(xiàn)高效和經(jīng)濟化的智能散熱。

3 展望

傳統(tǒng)的泵回路散熱系統(tǒng)可以通過換熱面內(nèi)增加微通道提高整個系統(tǒng)的散熱性能，然而這一技術(shù)的缺點是換熱系統(tǒng)較大的壓力損失，需要更大的泵功率，這無疑增加了散熱成本[25]。由于不受重力等因素的限制，使得微通道完全可以應用于航空航天等多個領(lǐng)域。芯片散熱技術(shù)的發(fā)展，使得微通道冷卻技術(shù)延伸到芯片內(nèi)部，從源頭上解決電子設(shè)備散熱問題[12]。如何解決兩相微通道不穩(wěn)定性是未來芯片級散熱亟需解決的問題。由于微通道尺寸非常窄，納米粒子的團聚研究在微通道冷卻中更為重要。

噴霧冷卻和射流冷卻這兩種主動冷卻策略表現(xiàn)出非常好的換熱效果。如何解決不同大氣壓力和高度下(尤其是接近微重力環(huán)境)冷卻表面的氣液混合物快速清除是目前噴霧冷卻和射流冷卻技術(shù)在航空航天領(lǐng)域應用的障礙，影響其散熱的因素過多，換熱系統(tǒng)的復雜性和穩(wěn)定性也限制了應用范圍[34]。如何提高系統(tǒng)可靠性的同時簡化系統(tǒng)構(gòu)成是噴霧和射流冷卻未來的發(fā)展方向。

浸沒式液冷的整個換熱系統(tǒng)安全可靠，但介電液較差的導熱性能使得在所有液體冷卻技術(shù)中浸沒式液冷的換熱能力最差。盡管如此，與噴霧冷卻和射流冷卻相比，影響其散熱的因素較少，只需提高介電液的導熱性能就可以大幅提高浸沒式液冷的散熱能力[80]。浸沒式液冷已經(jīng)成功從實驗室到小規(guī)模部署到目前的大規(guī)模部署，技術(shù)先進性得到了充分驗證[15]。在航空航天領(lǐng)域的應用研究還尚未開展，與射流冷卻等組成的混合協(xié)同冷卻的研究還需進一步加強。

納米流體和液態(tài)金屬等新興的冷卻液較高的熱導率和換熱特性使得其在電子設(shè)備冷卻方面表現(xiàn)了巨大的潛力，但團聚以及控制機理需要詳細廣泛的研究。液冷技術(shù)一方面向芯片級的熱源集中，從源頭解決散熱問題；一方面向智能化和高效化的組合冷卻技術(shù)發(fā)展，通過智能匹配實現(xiàn)精準散熱，從而更加有效地提高整體換熱性能。新興冷卻液與智能化混合協(xié)同冷卻的有效結(jié)合是目前電子設(shè)備高效散熱未來發(fā)展的方向。

4 結(jié)論

液冷技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)從基礎(chǔ)理論逐步過渡到實際應用，但仍然面臨著解決電子設(shè)嚴格的散熱需求。高性能電子設(shè)備等需要具有高傳熱性能的創(chuàng)新機制、技術(shù)和冷卻劑，以充分去除其產(chǎn)生的熱量，以實現(xiàn)預期的性能和耐用性。如何采用最有效的散熱技術(shù)保證電子設(shè)備穩(wěn)定運行，依舊是不變的主題。傳統(tǒng)的液冷技術(shù)由于理論研究更加深入，技術(shù)成熟度更高依然是目前電子設(shè)備散熱的首要選擇。通過換熱表面強化以及混合協(xié)同冷卻等方式，傳統(tǒng)液冷技術(shù)的散熱能力可以進一步加強。新興的冷卻技術(shù)如微通道與新型流體可以大大提高電子設(shè)備散熱性，但面臨著基礎(chǔ)理論研究不深入以及技術(shù)成熟度較低的現(xiàn)狀。盡管如此，新興技術(shù)、新型冷卻液與傳統(tǒng)液冷技術(shù)的結(jié)合是可以滿足高熱量電子設(shè)備的冷卻需求，這部分研究還需進一步加強。