■  白瑞晨 林子杰

　　如今，电子设备功率密度持续增高，传统散热模式已难以满足需求。微小流道液冷技术因其具备良好的散热能力，受到电子设备领域的关注。高功率电子设备的散热问题越发突出，高性能芯片的散热需求也受到越来越多人的重视。由于液冷技术在散热方面效率更高，因而成为电子设备散热研究的热点。微小流道液冷技术可在微小尺寸的通道内通过对流实现换热，有效提高热量转移效率。但该技术的传热性能与传统方式存在明显差异，因此需深入研究其优化传热性能的方式。本文主要探究微小流道液冷技术的基本原理及传热性能的优化方法，以期为高功率电子设备的散热技术提供有效参考。

　　微小流道液冷技术的基础原理。微小流道液冷技术主要是通过在一个细小通道内实现强制性的对流，以较高的效率来有效转移电子元件热量。微小流道液冷技术和传统散热方式进行比较，其存在以下几个明显特征：第一，微小流道的比表面积极高，这可以显著加大单位体积内的换热面积；第二，流体的层流特性尤为突出，这对传热机理造成了一定影响；第三，表面效应会出现明显的提升，需要更为注重界面现象。微小流道当中，流体的流动状态一般都控制在雷诺数Re＜2300的层流范围内，因而主要运用热传导方式来传热，而不是通过湍流混合的方式来传热。但因为通道尺寸明显缩小，其温度梯度与速度梯度会出现明显的增大，这会让传热效果得到显著增强。同时，微小流道中的润湿性、表面张力等都会在一定程度上影响到流动与传热，因而也需注意界面现象的影响。

　　微小流道液冷技术传热性能的优化策略。优化流道结构。优化流道结构可改善微小流道传热性能，以下是几种常用的创新流道结构。第一，非对称流道结构。设计人员可以合理改变流道的尺寸分布或是截面形状，通过人为干预来打造梯度流速，如此来进一步提高流体混合。例如，设计梯形截面流道，其和矩形流道进行比较，能让换热系数得到15%-20%的提升，而压降增加则能严格控制在不超过10%。锥形变截面流道能通过水力直径的改变，让沿程流阻分布得到有效改善。第二，扰流元件集成。设计人员能在微小流道中适当增加周期性排列的微鳍片、突起或凹坑等扰流元件，这能明显阻碍热边界层发展。相关研究数据表明，设计人员设置科学的周期性扰流结构，能提升30%-50%的努塞尔数。但需要注意的是，扰流元件的排列方式、间距以及尺寸等都需要符合流动特性，防止产生极大的压降损失。在具体进行设计的过程中，需要结合设备的实际情况对扰流元件的排列方式、间距以及尺寸等进行科学地规划，确保该部分布置能够充分符合设备的要求，达到对流道结构进行优化的目的。第三，设计分形网络。分形流道网络能让温度分布以及流量分配都更为均匀。与传统平行流道相比，树状分形流道在相同泵功条件下可使热阻下降25%，在大面积热源设计中适用性较高。利用分形网络，可促使温度分布更规范，确保流量分配均匀，保障设备使用过程中的温度稳定性。

　　表面改性技术。通过表面改性技术改变微小流道壁面的物理化学性质，可提高传热性能。首先，可以采用微纳结构表面。设计人员通过应用化学蚀刻、激光加工等方式在微小流道表面打造一个个微米级或纳米级的结构，这能进一步扩大有效换热面积。例如，微柱阵列表面通过微米级、纳米级处理之后，能提升2-3倍的沸腾换热系数。同时，这些结构还会对气泡动力学行为造成影响，有效拖慢临界热流密度的发生时间。其次，可以采用润湿性调控。设计人员能采取化学处理或是表面涂层的方式来让流道壁面的润湿性发生改变，如此来让相变换热过程得到显著优化。接触角超过150度的超疏水表面可以让气泡在较短时间内发生脱离，接触角不足10度的超亲水表面则能加快液体补充速度，梯度润湿性表面则结合了超疏水和超亲水表面的优势，应用在沸腾换热中有着明显优势。最后，可应用多孔结构表面。设计人员可以在流道表面涂覆多孔涂层或者是烧结金属粉末，这能有效提高成核位点密度，进一步提升沸腾换热效率。这能确保设备运转过程中产生的热量在短时间内迅速散开，避免因散热不均影响设备正常运转、增加故障发生率或降低综合使用效率。

　　优化流动参数。微小流道可通过优化流动参数，在换热性能与能耗之间找到平衡点。首先，可以优化流速。加大流速能明显加强对流换热，但却会让压降出现增长。设计人员能创建热阻和泵功的综合评估模型，通过模型模拟评估来确认最佳流速范围，针对流动参数进行科学设计。针对大部分微小流道系统，Re数控制在100—500内，可以取得良好的综合性能。其次，有效控制进口温度。设计人员在合理范围内增高进口温度，有利于降低粘度，使得流体的热物性得到明显改善，但其有可能会因系统而存在局限。研究表明，对于水基冷却液，将进口温度从25℃提升至40℃可使动力黏度降低约30%，同时导热系数提高约4%，这有利于增强对流换热效果。但需要注意的是，若进口温度过高，则会直接对电子元件的可靠性或接近工质的沸点造成影响，可能会导致系统出现不稳定的情况。设计人员应当结合历史运行数据来对温度变化趋势进行预测，提前调整进口温度，如此来有效提升温度的控制精度。最后，选择合适的流动方式。常见的流动方式有顺流、逆流以及错流等，不同的流动方式会直接影响到温度的分布。针对多流道系统，采用科学的流量分配设计，能让温度不均匀的现象得到明显改善，对于保障设备正常运转以及设备的综合使用效率等具有极为重要的作用。

　　综合上述，微小流道液冷技术作为一种散热方案，能通过优化流道结构、表面改性技术、优化流动参数等方式，进一步优化微小流道液冷系统的传热性能，从而有效解决高功率密度电子设备的散热问题。因此，微小流道液冷技术值得在电子元件中推广使用。同时，在具体运用的过程中，可以结合设备的实际情况来科学制定散热方案，保障设备在正常使用过程中的散热效果，将微小流道液冷技术的价值最大化，避免因散热问题影响设备正常运转。未来，还需结合智能控制技术与材料科学，探索多维度协同优化的路径，推动微小流道液冷技术向更高效率、更低能耗方向发展。

　　[作者单位：兰洋（宁波）科技有限公司]

　　【基金项目】2024年宁波市高新区重点科技项目：国产芯片服务器新型液冷复合热管理材料研发及应用示范（编号：2024CX050001）。