电子设备冷却——综述02

3.冷却液

3.1。常规冷却剂

有许多水性和非水性常规冷却剂用于各种电子冷却系统。与其他冷却剂相比，水具有更高的热导率、比热和更低的粘度，因此它是电子产品中使用最广泛的冷却剂。但是水不用于闭环系统，因为它的冰点很高，而且在冷冻时会膨胀。尽管如此，为任何特定设备或冷却系统选择最佳冷却液是很重要的。对冷却剂有一些一般要求，这些要求可能因冷却系统和电子设备的类型而异。正如文献[26]中充分讨论的那样，用于电子设备冷却的液体冷却剂必须是不易燃、无毒、廉价的，具有优异的热物理性质和特征，包括高导热性、比热和HTC以及低粘度。除了良好的化学和热稳定性外，冷却剂还必须与冷却系统和设备的部件材料兼容（例如，无腐蚀性）。然而，不能仅根据传热特性来选择用于直接浸没冷却的冷却剂。冷却剂的化学兼容性电子冷却4

芯片和其他封装材料也必须考虑。电子产品冷却常用的冷却剂主要分为两类：电介质冷却剂和非电介质冷却剂。电介质冷却剂有几种类型，包括芳烃、脂肪族、硅酮和氟碳基流体。芳烃冷却剂，如二乙苯（DEB）、甲苯和苯是最常用的冷却剂。链烷烃和石蜡类的脂肪烃（包括矿物油）和脂肪族聚α烯烃（PAO）用于各种电子产品的直接冷却。基于硅酮的冷却剂是另一种流行的冷却剂，被广泛称为硅油，例如Syltherm XLT。氟碳化合物系列冷却剂，如FC-40、FC-72、FC-77和FC-87，在电子工业中被广泛接受。非电介质液体也用于电子设备冷却，因为与电介质液体相比，它们具有更好的热性能。它们通常是水溶液，因此表现出高的热容和导热性。水、乙二醇和这两者的混合物（W/EG）非常流行，并被广泛用作电子冷却剂。其他流行的非电介质冷却剂包括丙二醇（PG）、水/甲醇、W/乙醇、NaCl溶液、甲酸钾（KFO）溶液和液态金属（例如，Ga-In-Sn）。Mohapatra和Loikits[26]评估了在各种冷却剂中，KFO溶液具有最高的整体效率。比较所有类型可用冷却剂的各种特性和特性有助于选择正确的冷却剂。

3.2. 潜在的新冷却剂

如前所述，现代电子设备或系统的冷却需求无法由那些传统的冷却剂来满足，因为它们固有的较差的热性能极大地限制了冷却性能。在这里，新出现的传热流体，如流体和离子流体，具有非常理想的优越的热性能，甚至适用于微系统，可以作为冷却解决方案。这些新流体还可以在广泛的工业、电子和能源领域提供巨大的好处和潜在的应用[12-14，17]。以下小节简要总结了这些新型冷却剂的关键传热特性的结果，包括热导率、对流和沸腾。

3.2.1. 热性能和性能总结

对纳米流体的热导率进行了广泛的研究，研究表明，与基础流体相比，纳米流体具有高得多的热导率[8，12，27-28]。然而，不同研究小组的结果并不十分一致，有时也存在争议，特别是在传热机制方面[29]。纳米流体还表现出比基础流体更好的其他热物理性质[8，27，30–32]。纳米流体具有极高的热性能，可以满足高科技电子设备的冷却需求。评估纳米流体的对流传热性能对于其在电子中作为冷却剂的应用非常重要。已经有大量的研究，

发现纳米流体和纳米流体的对流传热在任何流动条件下与它们的基础流体相比都表现出增强的HTC。随着纳米颗粒浓度以及雷诺数（Re）或流速的增加，增强的HTC（h或Nu）进一步显著增加[9，33–34]。HTC的增强是更显著的干扰机制。基于对流传热的发现，认为在电子冷却系统中，与传统流体相比，纳米流体可以进行更好的冷却。另一种非常重要和有效的冷却模式是各种热交换系统中流体的沸腾或相变。人们越来越关注纳米流体的这一关键冷却特性。对纳米流体沸腾传热的研究表明，纳米流体的沸腾临界热通量显著增加（高达基础流体的几倍）[9，35-36]。研究还表明，纳米颗粒浓度和各种其他因素（如纳米颗粒在加热器壁上的沉积、壁表面的粗糙度和表面活性剂的添加）可以进一步提高纳米流体的沸腾性能[35-38]。考虑到优越的对流和沸腾传热性能，这些新流体可以考虑增加HTC，并可以作为比水或其他传统冷却剂更好的冷却剂。与纳米流体一样，离子流体也表现出优越的热性能，特别是与基础离子液体相比的热导率和热容[15-17]。除了具有良好的热稳定性外，离子液体的热物理性质还可以通过改变基础离子液体的离子组成和结构来调节。早期研究表明，这些新型纳米流体显示出巨大的潜力，可作为电子产品冷却的先进冷却剂[16-17]。

3.2.2. 新流体在电子产品冷却中的潜力

近年来，人们对微通道冷却系统（如散热器）在电子设备冷却中的应用进行了广泛的研究[4，5，39]。由于对流HTC与通道的水力直径成反比，因此在任何流动状态下使用微通道都可以实现非常高的传热性能。冷却流体通过微通道散热器的强制对流传热是更具前景的技术之一，它可以提供非常高的排热率[4，5，21，39]。然而，冷却性能的主要限制实际上是由于所用冷却剂的低传热能力引起的。在这方面，具有优异传热性能的纳米流体有可能进一步提高微通道冷却系统的散热性能，并能够去除高科技电子设备的高热通量。纳米流体已直接用于电子或计算设备的冷却系统，以评估这些新流体的性能[40-42]。结果非常有希望，因为与传统的基础流体相比，纳米流体在这些冷却系统中的应用带来了更好的冷却性能[39-43]。因此，纳米流体在传统和新兴技术中的应用，如微通道和热管，可以成为下一代电子冷却系统。详细讨论和分析电子冷却的潜在效益6

作者[44]正在进行的一项研究也发现了纳米流体在冷却电子器件中的应用。

4.结论

电子和半导体技术的进步导致高性能芯片和部件的热通量密度急剧增加，而传统的冷却技术和冷却剂在满足这种高发热电子设备或微处理器日益增长的冷却需求方面越来越不足。尽管在过去的几十年里取得了良好的进展，但在这些电子产品的热管理和冷却方面仍然存在一些严重的技术挑战。高性能芯片和器件采用了创新的机制、技术和具有高传热能力的冷却剂，以提高冷却速率，从而实现其正常性能和寿命。纳米流体具有优异的热性能和冷却特性，有望用作高科技电子设备和工业的冷却剂。新兴的技术，如使用这些新流体的微通道，可以成为下一代冷却技术。