填充式液冷散热器的传热强化及流阻性能分析

　　■  白瑞晨 林子杰 王梦骋

　　在现代电子技术领域中，芯片的集成程度持续提升，电子设备的功率密度迅速增大，由此产生的大量热量若无法及时散发，将会对设备的性能、可靠性以及使用寿命造成严重影响。液冷散热技术凭借其高效的散热能力，成为解决高功率电子设备散热问题的关键技术之一。填充式液冷散热器通过在冷却液流道中填充特定材料强化传热过程，近年来受到广泛关注与研究。然而，填充材料的引入在提升传热性能的同时，会对冷却液的流动产生影响，增加流阻，进而影响整个散热系统的能耗和稳定性。因此，深入剖析填充式液冷散热器的传热强化及流阻性能，对优化散热系统设计、提高散热效率具有关键价值。

　　填充式液冷散热器的工作原理。填充式液冷散热器主要由外壳、冷却液流道、填充材料及进出口管路等部分构成，其工作原理是借助冷却液作为热传递介质，将电子设备产生的热量带走。在冷却液流动过程中，填充材料可增大冷却液与流道壁面的接触面积，扰乱流动边界层，促进流体混合，从而强化传热。当冷却液流过填充式流道时，填充材料表面会形成大量微小对流漩涡，使冷却液在微观层面产生强烈扰动，加快热量从流道壁面到冷却液的传递速率。这种传热强化机制既依赖填充材料的物理性质，也与填充结构的几何参数密切相关。

　　传热强化性能的影响因素分析

　　填充材料的影响。不同填充材料的热导率、比热容及表面特性，会直接影响散热器的传热性能。例如，铜珠、铝珠等金属基填充材料热导率较高，可快速将热量从流道壁面传导至冷却液，提高传热效率。研究显示，在相同工况下，填充铜珠的液冷散热器对流换热系数相较未填充时可提高1.5至3倍。而氧化铝陶瓷颗粒等陶瓷基填充材料，虽热导率较低，但化学稳定性和耐高温性能优良，在对材料稳定性要求较高的场景中更具优势。填充材料的粒径同样对传热性能有关键影响，较小粒径的填充材料能提供更大比表面积，强化传热效果更显著，但也会增加流阻。因此，选择填充材料粒径时，要综合考量传热强化需求以及流阻限制。 

　　填充孔隙率的影响。填充孔隙率指填充材料在流道中所占体积的比例，其大小决定了冷却液的流动空间及与填充材料的接触面积。若孔隙率较低，填充材料分布较密集，冷却液与填充材料的接触面积增大，传热强化效果提升，但流阻也会随之增加。反之，孔隙率过高时，填充材料的强化传热作用减弱，散热性能下降。研究发现，存在一个最佳孔隙率范围，可使散热器在保证良好传热性能的同时，流阻不会过大。对于常见的填充式液冷散热器，最佳孔隙率一般在0.3至0.6之间，具体数值由填充材料的种类、粒径及冷却液的流动特性等因素决定。

　　冷却液流速的影响。冷却液流速是影响传热性能的另一关键因素。随着流速提升，冷却液的对流换热能力增强，可更快地带走热量，降低散热器温度。同时，较高的流速能强化填充材料对冷却液的扰动作用，进一步提升传热效果。但流速增加会导致流阻急剧增大，增加泵功消耗。因此，实际应用中需依据散热需求及系统能耗限制，合理选择冷却液流速，通常通过实验或数值模拟确定不同工况下既能满足散热需求、又能使系统能耗处于合理区间的最佳流速。

　　流阻性能的影响因素分析

　　填充材料对流阻的影响。填充材料的形状、粒径分布以及表面粗糙度等因素，均会对冷却液在流道中的流动阻力产生影响。不规则形状的填充材料相较于球形填充材料，更易于引发流体的湍流与漩涡，致使流阻增加，较小粒径的填充材料，因其比表面积较大，与冷却液的摩擦面积有所增加，同样会使流阻增大，填充材料表面粗糙度越高，流体在其表面流动时所产生的摩擦阻力也就越大。如表面经过粗糙处理的玻璃珠填充流道，其流阻相比光滑玻璃珠填充流道更高。在挑选填充材料时，除了要考量传热性能之外，还得兼顾流阻因素，尽可能选择形状规则、表面光滑且粒径适中的填充材料，以此来降低流阻。

　　填充孔隙率对流阻的影响。填充孔隙率对流阻有着十分突出的影响，孔隙率越低，流道内填充材料就越发密集，冷却液流动的通道变得越发狭窄且曲折，使得流阻大幅度增加。当孔隙率低于某一临界值时，流阻会急剧上升，甚至有可能出现冷却液流动不顺畅的状况。相反，孔隙率较高时，流道相对比较宽敞，流阻减小，不过传热强化效果也会有所减弱。在设计填充式液冷散热器时，要在孔隙率与传热、流阻性能之间做好权衡，找到最佳的平衡点。借助优化填充结构，如采用分级填充或者变孔隙率填充方式，可在一定程度上改进流阻性能，同时维持较好的传热效果。

　　冷却液流速对流阻的影响。根据流体力学的基本原理可知，在填充式液冷散热器当中，冷却液的流速和流阻呈现出一种明确的正相关关系。当流速不断增大的时候，冷却液与流道壁面以及填充材料之间的摩擦作用会变得更加剧烈，高速流动的冷却液会对壁面和填充材料表面形成更强的冲刷力，使得摩擦阻力上升。流速的增加会让流体内部的湍流程度加剧，原本相对平稳的层流状态被打破，流体内部产生大量漩涡和不规则运动，这既增加了流体内部的能量损耗，又增大了流阻。从量化关系的角度分析，流阻和流速的平方呈现近似成正比的关系，也就是说当流速变为原来的两倍时，流阻大约会变成原来的四倍。在尝试凭借提升冷却液流速来提高传热性能时，要充分关注流阻增加所带来的影响，因为这会加大系统能耗，增加运行成本。为了在高流速情况下有效降低流阻，可以选用低黏度的冷却液，这种冷却液流动性良好，可减少流动过程中的摩擦阻力。

　　填充式液冷散热器借助填充材料的引入，在传热强化以及流阻控制的平衡方面呈现出独特的优势和面临着挑战。研究显示，填充材料的物理属性、结构参数以及冷却液的流动特性，共同对散热系统的综合性能起着决定作用。在实际设计中要依靠多维度优化来达成“高效传热”和“低耗流动”的协同。当前，虽然在材料选型与结构设计上取得了一定成果，但面对电子设备功率密度不断攀升的态势，还是需要开发适合复杂工况的新型填充结构，探寻智能化流阻调控策略，并且结合先进制造技术推动精细化散热方案在工程上的落地。

　　[作者单位：兰洋（宁波）科技有限公司]

　　【基金项目】本文系2023年宁波市“科创甬江2035”科创生态育成项目：绿色新型算力中心融合液冷散热系统应用示范（编号：20242058）。