浸没式相变冷却研究综述

熊世明 王艺涵 周天骏 霍文杰 王晨 张程宾*

东南大学能源与环境学院

随着电子技术的发展，电子元件的热流密度显著增加，某些芯片上局部可达到1.5 kW/cm2[1]。为了更好地解决芯片散热问题，提高其工作稳定性，学者们提出风冷[2-4]、热管冷却[5-8]、热电冷却[9-11]以及液冷[12-13]等冷却方法。浸没式冷却属于液体相变冷却，高热流的电子芯片浸没在绝缘冷却液中，绝缘液体在芯片表面发生沸腾相变，具有结构紧凑、换热效率高的优点，在电子散热领域具有良好的应用前景。本文从浸没式冷却系统结构组成出发，分别介绍了浸没式相变冷却系统涉及的核态沸腾和流动沸腾换热机理以及浸没式冷却系统换热性能强化手段，最后对未来进一步研究方向进行展望，以期为国内外从事热管理行业的专家学者、工程师提供有关浸没冷却散热技术方面的说明。

1 浸没式相变冷却系统

浸没式相变冷却系统由蒸发段、冷凝段、循环系统组成。蒸发段中电子元件浸没在绝缘液体中，液体吸热沸腾带走电子器件产生的热量。沸腾产生的蒸汽在冷凝段完成冷凝，经循环管路返回至蒸发段继续吸收热量，冷凝方式可采用空冷、水冷。

1.1 蒸发段

相变冷却过程工作介质需要和电子设备直接接触，对材料的相容性要求很高，即冷却液应具有良好的化学稳定性、电惰性、绝缘性，以及较低的沸点。两相系统中，流体内部的汽泡运动引起流体介电常数、损耗因素等电性质的瞬时空间不连续，该电性质与电子通信设备的频率相关[14]。梅奥特殊处理器发展集团（SPPDG）研究人员[15]测试印刷电路板与背板连接器浸没在不同绝缘液体中各频率下信号的损耗，发现其与绝缘液体种类具有一定的关系。

1.2 冷凝段

冷凝段布置方式有远程冷凝器与蒸汽室冷凝器两种。

1）远程冷凝器：该系统通过管路实现远程冷凝器布置，管路增加会降低系统的密封性，但冷凝器与蒸发段相互独立，可通过增加冷凝器换热面积强化冷凝满足系统冷凝需求[16]。

2）蒸汽室冷凝器（图1[17]）：该系统冷凝管换热面积增加受到限制，一般通过增大冷凝工质流速、降低冷凝工质温度、采用螺旋冷凝管等措施增强换热效果。相对于远程冷凝器，增强冷凝效果更复杂。

图1 蒸汽冷凝室

1.3 循环段

循环段按照有无循环泵分为被动式相变冷却与主动式相变冷却。

1）被动式相变冷却（图2[18]）：蒸发段开始工作产生蒸汽时，由于工作流体的蒸汽相比液体密度小会形成压力差，使流体能够自然流动。系统的流体流量取决于元件的散热量、工作流体的蒸气与液体的密度比及冷凝器相对于蒸发段的垂直高度，该系统结构能够有效适应中等热负荷密度。

图2 被动式相变冷却

2）主动式相变冷却：主动两相冷却类似于传统的液体回路，工作流体被泵送通过冷板以吸收来自功率电子器件的热量。由于系统中有循环泵驱动工质流动，因此该系统结构能够适应更高热流量的需求。

2 沸腾相变传热机理

沸腾是伴随有剧烈气液相变的对流传热，研究相关模型机制对浸没相变冷却传热强化具有指导意义。

2.1 核态沸腾

核态沸腾产生大量气泡，并且气泡频繁脱离壁面造成热边界层内液体的强烈扰动，使得系统能够在低温度下具有高热量去除率，同时保持较低壁面过热度较低，使电子设备高效工作。

1）核态沸腾模型机制

核态沸腾换热系数与气泡运动密切相关，研究气泡成长脱离等动力学行为对核态沸腾换热研究具有很大的促进作用。Demiray与Myers等[19-20]利用微型加热元件阵列测量了成核气泡的传热过程，结果表明气泡增长所需的大部分能量来自于气泡周围的过热层。张[21]研究了近壁面处气泡动力学对传热的影响，发现高过冷状态下脱离后的气泡可能会与壁面新产生的气泡合并，增加气泡脱离频率，增强换热效果。Zuber[22]将普通表面的沸腾分为三种状态。①“层流”，气泡在活动腔中间歇性地形成并保持从形成到离开的特性。②“动荡”，其中一些气泡与它们的前身合并。③几乎所有的气泡都与它们的前身结合在一起，在活跃的腔体中形成蒸汽柱。Ghiu等[23]研究了铜和石英的单层结构的氟碳液体池沸腾的换热特性，表面通道结构强化了气泡运动，如图3所示。

图3 增强表面高热流密度

2）临界热流密度

为避免热流密度过高导致传热工况恶化，临界热流密度的准确测定对确定浸没冷却系统散热极限十分关键。王等[24]基于数值模拟结果判断当达到临界热流密度时平均气泡覆盖面积超过沸腾总表面积50%。Ding等[25]通过建立考虑压力、质量流量、压力、倾角等影响因素的模型，探明临界热流度强烈地依赖于壁的过热，同时壁面润湿性和粗糙度会影响临界热流密度。董等[26]对常用的20个CHF公式的准确性及适用范围做了比较，发现El-Genk-Guo公式[27]与实验数据吻合较好。

总的来说，池沸腾临界热流密度模型都是在有限实验数据的基础上提出的，各有局限性。合理有效地引入临界热流的影响因素，提出合理应用范围更广的关联式，是有待解决的问题。

2.2 流动沸腾

流动沸腾与核态沸腾的差别在于存在流体的整体宏观运动，换热效果比核态沸腾效果好，但是换热机理更加复杂。

Lee等[28]对硅基微通道中饱和流动沸腾进行试验，热流量较低时换热系数与热流量成正比例，较高热流量条件下换热系数基本不受热流量影响，换热模型由核态沸腾主导转变为对流换热主导。Qu等[29]测试了饱和水在微通道散热器中的流动沸腾换热特性，结果表明饱和流动沸腾换热系数与质量流量有很强相关性，与热流量基本无关，验证了强制对流沸腾为主导的机制。Yin等[30]研究了微通道中流动沸腾气泡限制与伸长对换热性能的影响，结果表明在流动沸腾开始气泡自由发展时生长速率随质量流量增大而增大。

流动沸腾临界热流密度除与外界条件有关外，还与两相流型有着密切关系。Hebel等[31]提出一类加热表面空泡模型，该模型假设气泡离开壁面时由于受到径向力作用而减慢，致使液体不能与加热表面接触换热，蒸发速率降低，导致换热工况恶化。Galloway与Mudawar[32]实验观测到热流密度为临界热流密度的90%时，气泡在加热表面聚集形成连续的气相层，液体通过汽液两相界面不稳定性产生的润湿前沿与加热表面接触。当润湿前沿消失时，液体不能及时向加热表面供应，导致临界热流密度的出现。然而多数临界热流密度模型与计算关联式通过有限的实验推导，具有局限性。

3 浸没式相变冷却性能强化

浸没式相变冷却性能强化成为研究热门方向之一。散热器表面结构优化、充液率优化及选用优良性能冷却液是相变冷却性能强化的重要途径。

3.1 散热器表面的影响

散热器采用多孔表面[33-35]、涂层表面[36]、微通道结构表面[37-38]能够有效增强沸腾换热效果，是浸没式冷却换热强化的有效手段。S.El-Genk等[39]实验研究了多孔石墨表面对FC-72和HFE-7100核态沸腾换热强化，如图4所示，结果表明核态沸腾中FC-72在多孔石墨表面的最大换热系数远高于平板铜，同时壁面过热度比平板铜低。Yuki等[40]研究了大气压力下具有藕状多孔的铜介质对核态沸腾换热的强化。过热度为5～10 K时，多孔表面热量传递系数比裸表面的高2～3倍，但是临界热流密度几乎与裸表面相同。Wu等[41]实验研究了薄层亲水性二氧化钛（TiO2）涂层对核态沸腾和CHF的影响，由于亲水性TiO2表面可产生更有效的固液相互作用，减少由生长的气泡引起的干斑，以水和FC-72作为冷却介质时TiO2涂层表面相比光滑铜表面分别使临界热流密度增加了50.4%和38.2%。

图4 多孔表面加热示意图

3.2 充液率的影响

充液率定义为蒸发器中液体工作介质的体积所占蒸发器液池体积的百分比，采用适当的充液率可强化散热器换热性能。胡等[42]研究表明在散热热通量小于时，充液率增大将使芯片表面温度降低。热通量大于该值时，增大充液率反而将提高芯片温度。Xue[43]测定了大功率发光二极管在不同充液率下乙醇的散热性能，结果表明由于充液率的升高液体沸腾所需的热量增加，导致散热达到稳定的时间增长，理想充液率在33.14%～43.75%。Aniruddha与Yogendra[44]研究表明不同充液率条件下加热表面压头不同，从而影响气泡产生，相应的换热性能受到影响。

3.3 冷却液的影响

实验研究中通常选用碳氟化物（FC-72，FC-87，PF-5060）或者氢氟化物（HFE-7000，HFE-7100，HFE-7300）作为冷却液，近年来学者们对不同冷却液体的换热特性进行了相关实验研究。董等[45]结合数值模拟与实验比较了合成烃基类冷却液（PAO）与乙二醇类冷却液（#65）的传热性能，结果显示65#冷却液比PAO有着更好的散热性能。Warrier等[46]采用计算机辅助分子设计方法（CAMD）和优值系数分析（FOM）方法，筛选出C6H11F13作为冷却液介质，并发现C6H11F13与HFE7200混合比例为7%时池沸腾传热性能更好。纳米流体[47]通过加入微小颗粒形成悬浮工作液，该混合物具有优异的导热性能，在浸没冷却微通道中换热方面具有潜在的应用，然而目前纳米流体许多理论的热物理性质的实验结果不一致，需要进一步深入研究。

4 结论与展望

浸没相变冷却作为一种高效的换热方式，可以有效降低散热耗能、缩减电子设备散热空间，具有深远的意义。浸没式相变系统需要良好的密封性，因此结构设计更加复杂，现阶段仍缺乏系统综合设计数据。由于沸腾的复杂性，对沸腾换热机理认识尚不完全，缺乏较为准确通用的机制模型。浸没式相变冷却系统的沸腾-冷凝耦合的相变传热机理尚不清晰，芯片表面不均匀热流分布及表面微结构对气液两相流动的影响有待揭示具有高的化学稳定性、电惰性、绝缘性和良好热物性的冷却介质仍有待探究。为解决这些问题，提高浸没式相变冷却性能，下一步工作主要是：

1）运用先进的可视化与测量技术，实验探究浸没式冷却沸腾传热机理，建立更加通用的浸没式冷却系统沸腾传热模型。

2）制备具有优良换热性能与化学稳定性的冷却液，并进一步探索电信号在冷却液体中的传输特性变化。

3）进行浸没式冷却系统实验，优化创新浸没式冷却系统结构，改进封装工艺，使结构紧凑，减少换热热阻，提升其工作效率与可靠性。