西电解决芯片冷却难题！翼型腔扰流微通道
来源 | Energy
链接 | https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.136775
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背景介绍
随着航空航天、数据中心、雷达等关键领域，电子设备正朝着高度集成化、微型化方向飞速发展，以满足多功能、智能化系统的需求。然而，性能提升的背后，是电子设备散热压力的指数级增长 —— 据统计，电子设备消耗的电能中，近 80% 会转化为需要及时排出的废热；更严峻的是，电子设备温度每升高10℃，系统可靠性就会下降 50%。若废热无法有效散出，轻则导致设备性能衰减，重则引发极端工况下的器件失效，这一问题随着电子设备热功率的持续攀升，已成为制约行业发展的核心瓶颈。
传统散热方案如风冷、间接液冷，受限于固体层热阻、固 - 固界面接触热阻等问题，难以满足高功率密度电子设备的冷却需求。在此背景下，嵌入式微通道冷却技术应运而生——它通过让冷却液与发热芯片直接接触，大幅降低热阻，展现出传统方法无法比拟的冷却效果，被视为解决高heat flux散热难题的关键方向。
近年来，科研界围绕嵌入式微通道冷却技术展开了大量探索。但挑战依然存在，一方面冷却液与热源的直接接触会导致芯片温度波动加剧，对边界层结构的优化提出了更严苛的要求；另一方面，嵌入式系统的微尺度通道与短传热距离，使其对压力变化异常敏感，较大的压力波动可能引发局部结构应力，甚至导致泄漏风险。如何在强化微通道传热性能的同时，保障系统压力稳定性，成为当前嵌入式冷却技术亟待突破的关键课题。
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成果掠影
近日，西安电子科技大学王从思提出了一种兼具高散热效率与高稳定性的嵌入式微通道新结构——带翼型腔针肋扰流二次通道的嵌入式微通道（EMAT-SC），为高热流密度的电子设备的散热难题提供了全新解决方案。该设计通过数值模拟确定其最优设计参数为二次通道相对宽度 α≈0.47、扰流结构相对尺寸 β=0.28-0.56（且 β 随雷诺数从 261 升至 783 从 0.28 偏移至 0.56），在此参数下，EMAT-SC 与矩形结构（EMRR）、三角肋槽结构（EMTR）、常规二次通道结构（EMSC）相比，不仅能维持与 EMTR 相当的压力降（Δp），还展现出更优的传热性能 ——Re 从 131 升至 783 时，其芯片最高温度（Tmax）较 EMRR 降幅从 19.6% 扩大至 21.4%，沿流动方向最大温度波动仅 4.45℃（为四种结构中最小），性能评价准则（PEC）在 Re=783 时达 1.50，远超近年同类结构（PEC 均 < 1.35），其结构优势源于更大换热面积、入口扰流强化、出口导流稳流及翼型腔降压设计，为高 heat flux 电子设备冷却提供了兼顾散热效率与压力稳定性的新方案。研究成果“A Biomimetic Thermal Conduction Network Enables Metal-Level Thermal Conductivity in Polymer Nanocomposites”为题发表在《ACS Nano》
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图文导读
图 1. (a) 嵌入式冷却模块爆炸图(b) 微通道板组件(c) 冷却液流动示意图
图 2.(a) 规则矩形结构嵌入式微通道(b) 带翼型腔针肋扰流结构二次通道的嵌入式微通道(c) 计算域
图 3.(a) 实验系统流程图(b) 实验系统实物图(c) 嵌入式微通道测试段
图 4.EMAT-SC 结构在不同网格数量下的最高温度与压降（Δp）
图 5.实验与理论的进出口温差对比
图 6.不同雷诺数下实验与模拟结果对比曲线(a) 陶瓷加热器上表面平均温度随雷诺数（Re）的变化(b) 压力降（Δp）随雷诺数（Re）的变化
图 7. β=0.28 时的 EMAT-SC：(a) 最高温度随二次通道相对宽度（α）的变化
(b) 压力降（Δp）随二次通道相对宽度（α）的变化
图 8.不同雷诺数下 EMAT-SC 在 x-y 平面（y 范围 10.5~15 mm，z=4.875 mm）的流线分布
图 9. α=0.47 时的 EMAT-SC：(a) 最高温度随扰流结构相对尺寸（β）的变
(b) 压力降（Δp）随扰流结构相对尺寸（β）的变化
图 10.雷诺数 Re=261、z=4.875 mm 时，EMAT-SC 在 x-y 平面的：(a) 速度分布（Velocity distribution）(b) 温度分布
图 11.(a) 雷诺数 Re=261、z=4.875 mm 时，不同通道结构微通道散热器在 x-y 平面的压力云图(b) 不同通道结构的压力降随雷诺数（Re）的变化(c) 雷诺数 Re=261、z=4.875 mm 时，不同通道结构的速度流线
图 12.热功率 Q=160 W 时的四种微通道结构：(a) 最高温度随雷诺数（Re）的变化(b) 努塞尔数（Nu）随雷诺数（Re）的变化
图 13.雷诺数 Re=653、z=7.5 mm、x=0.3 mm 时，不同结构加热器上表面温度沿流动方向的变化
图 14.雷诺数 Re=653 时，不同微通道结构的流体与加热器横截面温度分布
图 15.不同结构微通道的固 - 液换热面积
图 16. 不同微通道结构的性能评价准则（PEC）随雷诺数（Re）的变化
