电子设备冷却——综述

1.简介

半导体和其他小型和微型电子技术的最新发展以及持续的小型化导致了高性能芯片的功率密度的非常高的提高。尽管在过去的几十年里取得了令人印象深刻的进展，但在电子设备或微处理器的热管理和控制方面仍然存在严重的技术挑战。两个主要挑战是：充分去除不断增加的热通量和高度不均匀的功耗。根据国际电子制造倡议（iNEMI）技术路线图[1]的一份报告，2020年，高性能微处理器芯片的最大预计功耗将达到约360 W。事实上，微电子和电力电子行业正面临着去除约300 W/cm2的极高热通量，同时将温度保持在85°C以下的挑战[2]。此外，由于器件集成度的提高，芯片或器件上的功率耗散变得高度不均匀，因为峰值芯片热通量可能是周围区域的数倍。传统的冷却方法越来越难以应对新兴电子设备的高冷却需求和热管理挑战。因此，高性能芯片或器件需要具有高传热能力的创新技术、机制和冷却剂来提高排热率，以保持其正常工作温度。除非它们得到适当的冷却，否则它们的正常性能和长期性能可能会比预期的更快地退化。此外，电子设备的故障率随着工作温度的升高而增加。对传统和新兴冷却技术的研究和进展的回顾和分析表明，基于微通道的强制对流和相变冷却（液体）是最有前途的技术之一，能够实现非常高的排热率。

另一方面，由于传统冷却剂（如空气、油、水和水/乙二醇/甲醇混合物）的传热能力的限制，大多数冷却技术无法实现所需的性能，这些冷却剂固有地具有较差的传热特性，特别是导热性和对流传热系数（HTC）。例如，为了在50 K的温差下适应100 W/cm2的热通量，它需要2000 W/m2K的有效HTC（包括可能的面积放大因子），而这通常是通过这些冷却剂的自由和强制对流而不可能实现的[7]。因此，总是迫切需要找到具有优异传热性能的冷却流体。因此，最近出现了几种流体，它们有可能被用作高级冷却剂。其中一种流体是纳米流体，这是一类新的传热流体，是纳米颗粒在传统传热流体（如水（W）、乙二醇（EG）、油和W/EG）中的悬浮液。与基本传统流体相比，纳米流体具有高得多的热性能，特别是导热性、对流性和沸腾传热[8-12]。由于具有非常理想的增强热性能，这类新型流体可以在广泛的应用中提供巨大的好处和潜力，包括电子和其他高科技行业的冷却[12-14]。最近，我们小组提出了另一类新的流体，称为“离子流体”[15-16]。离子液体是纳米颗粒的悬浮液，而不仅仅是离子液体，与基础离子液体相比，离子液体也具有优越的热性能[15-17]。离子流体除了具有绿色流体和可设计用于特定任务等独特特征外，在冷却电子中作为先进的传热流体显示出巨大的潜力。本章首先概述了电子设备的各种冷却方法和传统冷却剂。然后，总结了新型冷却剂的传热特性和性能，以及它们在电子冷却中的潜力。

2.冷却方式

尽管近年来在电子冷却系统方面取得了令人印象深刻的进展，但高科技电子设备所需的高热通量去除仍然不足，极具挑战性。有许多冷却方法广泛应用于电子工业中。根据传热效率，现有的冷却模式可分为四大类，即：▪ 自然对流，▪ 强制对流空气冷却，▪ 强制对流液体冷却，▪ 液体蒸发。根据这些方法的热通量去除率的大致范围，已知液体蒸发是最好的技术，其次是液体的强制对流，然后是电子冷却空气。然而，在计算设备的CPU等冷却电子设备中广泛使用的强制空气对流具有非常低的散热率（尽管高于辐射和自然对流）。众所周知，除了散热方式外，冷却液对整体冷却性能也起着重要作用。

高性能电子设备和芯片需要创新的技术和系统设计来提高散热率，从而最大限度地降低其工作温度并延长使用寿命。传统的冷却方法，通常由风冷散热器组成，在满足具有高功率密度的现代电子设备的冷却需求方面越来越不足。因此，近年来，用于冷却这种电子器件的各种技术已被广泛研究并应用于各种热管理系统中。其中包括热虹吸管[19]、热管[20]、电渗泵[21]、微通道[4，5]、冲击射流[22]、热电冷却器[23]和吸收式制冷系统[24]。这些冷却技术可分为被动系统和主动系统。被动冷却系统利用毛细管或重力浮力使工作流体循环，而主动冷却系统由泵或压缩机驱动，以提高过冷能力和性能。作为一种被动冷却，给定相变材料的高潜热、高比热和可控温度稳定性，基于相变材料的散热器是一种相对较新的技术，可用于瞬态电子冷却应用。

微型冷却系统可以充分冷却那些高发热的电子设备或电器。例如，与传统换热器相比，基于微通道的散热器和微热管的传热性能要高得多。基于微通道的冷却系统因其结构紧凑、重量轻、适用于小型电子设备以及优越的冷却性能而受到研究人员和工业界的极大关注。微通道散热器强制对流液体冷却是一种很有前途的、高性能的小型高发热电子器件冷却技术。除了显著减小封装尺寸外，这种新兴的冷却技术还适用于芯片上集成[4，5]。基于热管的电子冷却非常流行，最近受到研究人员和工业界的极大关注，并且已经应用于各种电子设备中。因此，有几章专门讨论了这个主题，这里不再进一步讨论。另一方面，直接液体浸没冷却提供了非常高的HTC，这降低了芯片表面的温度上升。图1比较了各种常用冷却剂和冷却模式的HTCs的相对大小（近似值）。HTC的相对大小直接受到冷却剂和传热模式的影响（图1）。去离子水是最有效的冷却剂，沸腾和冷凝提供了最高的HTCs。

无论使用何种方法来冷却设备或芯片，将热量转移到有相变或无相变的流体中，都有必要将热量散发到环境中。这主要是通过空气的强制对流来实现的，这是不够的，尤其是对于高温来说。移除情况。因此，有效地从冷却剂中带走热量也是非常重要的。

3.冷却液

3.1。常规冷却剂

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