纳米流体在电子冷却中的应用研究进展

2022-11-02李嘉煜

能源研究与信息 2022年2期

李嘉煜，张华

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

近年来，电子工业和半导体技术取得了长足的发展，但其在高性能、高热流密度的产品冷却方面仍然存在一些根本性的问题。事实上，普通的冷却方法和常用的冷却液都不能满足高热量电子芯片的冷却要求。因此，高效率的电子设备需要采用新的方法和具有良好热性能的冷却液来散热，以达到预期的效率和可靠性。研究表明，以液体为冷却剂的微通道冷却系统是现代电子冷却中最有效的方法。

与传统冷却液相比，含有固体纳米颗粒的悬浮液（简称纳米流体）显示出更大的热属性。研究人员回顾了在不同领域对纳米流体进行的研究，例如纳米流体的摩擦系数和对流换热、将纳米流体用于沸腾传热、纳米流体中的粒子迁移、纳米流体中的传质。研究表明，纳米流体在传热系统中具有优异的特性。此外，在散热器中使用纳米流体的研究报告也证明，与普通液体相比，这种新型悬浮液在电子冷却方面的效果更好。综上所述，微型通道系统和新型流体可以大大提高散热效率，并可以满足高热量电子设备的冷却要求。因此，基于纳米流体的散热器是下一代电子冷却设备中很有前途的候选者。

本文概述了纳米流体在电子冷却中的应用研究进展。从纳米颗粒材料、散热器几何结构两方面进行阐述。同时，对该领域存在的不足和挑战进行分析和讨论，并提出今后的研究方向。

1 电子冷却所用的纳米材料

1.1 碳基纳米颗粒

Nazari 等研究了氧化铝和碳纳米管组成的纳米流体的冷却性能，并将所得结果与普通流体（水和乙二醇）进行了比较。结果表明，采用体积分数为0.5%氧化铝的纳米流体的对流换热系数大于普通流体。

Ali 等利用含有石墨烯纳米板（GNPs）的纳米流体评估针翅式散热器对热阻、对流换热系数、对数平均温差的角度效应，研究了与正轴分别呈22.5°、45°和90°夹角的三个通道倾角的散热器，其中通道倾角为22.5°的散热器具有优越的热性能。

Ebrahimi 等提出了一种采用碳纳米管纳米流体评价微通道散热器冷却性能的数值方法。研究结果表明，随着碳纳米管纳米层厚度的增加，微通道散热器的温度梯度减小。

以上研究成果表明，碳基纳米流体显著改善了散热器的热性能。然而，将碳基纳米流体应用于实际时存在的一个基本问题就是其在水介质中的稳定性差。它们具有天然的疏水性，因此不能像水一样分散在极性液体中。为了提高纳米颗粒的分散性，人们对其进行了酸处理，使其具有亲水性。然而，有机溶剂和强酸通常会造成环境污染、腐蚀以及影响人们健康等问题，因此，采用绿色环保的方法对纳米颗粒进行功能化是非常重要的。

1.2 氧化物纳米颗粒

在不同的纳米颗粒中，球形氧化物纳米颗粒已被大量应用于纳米流体的合成。这类纳米颗粒具有稳定性好、成本低、导热性好等优点。在下文中将对电子冷却中使用的氧化物纳米颗粒材料如氧化铝、二氧化钛和二氧化硅等进行评述。

Hassani 等研究了不同翅片间距对V 形纳米流体电子冷却散热器传输特性的影响。在纳米颗粒的体积分数分别为0.5%、1.0%时，对含氧化铝纳米颗粒的水和水基纳米流体分别进行了实验研究。结果表明，由于翅片表面温度的降低和出口冷却液温度的升高，采用间断翅片可以获得较好的传热效果。同时，由于散热器翅片孔隙率的增加，压力损失显著降低。

Kamyar 等研究了分别填充水–氧化铝和水–TiSiO纳米流体的两相闭式热虹吸管的传热性能。结果表明，两种纳米流体均能降低传热热阻，降低程度分别为65%（氧化铝体积分数为0.05%）、57%（TiSiO体积分数为0.075% ），且均在提高传热系数、降低蒸发器壁温等方面有促进作用。

Ambreen 等研究了纳米流体和不同翅片截面形状对微型针翅式散热器传热特性的综合影响，测试了具有相同翅片直径和高度的方形、圆形和六边形三种翅片结构，并模拟了体积分数为4.31%、粒径为30 nm 含二氧化钛纳米颗粒的水性纳米流体。结果表明，利用纳米流体进行冷却时，圆形翅片表现出最高效的热性能，其次是六边形和方形翅片，而水冷时，方形翅片的传热性能最低。

Escher 等将含水二氧化硅纳米颗粒悬浮液用于进行电子冷却的微通道散热器中。他们制作了三种尺寸的微通道，并将其热性能描述为流量的函数。结果表明，采用纳米流体可以提高微通道的换热效率。

1.3 磁性纳米颗粒

磁性纳米流体（MNFs）或铁流体是指磁性纳米颗粒和非磁性基液的悬浮液。用于制备MNFs的磁性纳米颗粒通常由金属（铁磁材料）如钴、铁、镍及其氧化物如四氧化三铁、尖晶石型铁氧体等构成。这类纳米流体具有强化传热特性，且具有与普通液体一样的流动性和与其他磁性材料相似的磁性。MNFs 的这些优良特性使其能应用于可利用外加磁场来管理液体运动、热交换和颗粒运动等的环境中，因此这些悬浮液在传热工程、生物工程等领域具有很大的应用潜力。在电子冷却领域，研究人员也对这类纳米流体进行了相关研究。

Gandomkar 等通过实验评估了铁基磁性纳米流体对两种不同材质的脉动热管（PHPs）热效率的有效性。实验热管分别由玻璃和铜制成。结果表明，磁性纳米流体在玻璃热管中的稳定性较高，且相较于铜热管，在玻璃热管中磁性纳米流体的磁场应用效果更好。

Jahani 等研究了微脉动热管（MPHPs）中不同工作流体（包括水、铁流体和银纳米流体）在电子冷却过程中对热阻的影响。实验结果表明，水的最佳充液比为40%，而纳米流体的最佳充液比为60%。在大多数情况下，采用纳米流体的MPHPs 比采用水的MPHPs 具有更小的热阻。

可以发现，将MNFs 应用于电子冷却的相关研究较少，但是这类纳米流体具有优异的性能，因此需要对其进行更为深入的研究，以便详细了解MNFs 在散热器中的特性。

1.4 混合纳米流体

混合纳米流体是一种通过分散纳米颗粒而产生的新型纳米流体，它以复合态或混合态形式存在。制备混合纳米流体的目的是提高热交换率，改善热导率，并利用其某些特定的属性。事实上，采用两种或两种以上不同材料制备得到的纳米流体可以结合它们各自的特点，使其具有很好的应用前景。为了更好地冷却电子芯片，一些学者也在一些特定情况下采用混合纳米流体进行相关研究。

Selvakumar 等将含有氧化铝–铜纳米颗粒的混合纳米流体应用于薄通道铜散热器中。研究结果表明，与基液相比，混合纳米流体的对流换热系数显著提高。此外，采用混合纳米流体代替水时，泵送功率的增加小于对流换热系数的增加。

Bahiraei 等研究了含有银纳米颗粒和石墨烯纳米板的混合纳米流体的有效性和第二定律属性，同时设计了一种新型分配式散热器，并将其与两种常用散热器的结构进行了比较。结果表明，在考虑不可逆性和传热性能的情况下，新型分配式散热器具有更好的散热效果。此外，使用纳米流体时新型分配式散热器的散热效果明显优于使用水时的效果。

Khaleduzzaman 等对不同纳米粒子在电子冷却中的热性能进行了比较，并评估了微通道中纳米流体的换热效率。所使用的三种不同纳米流体分别为碳化硅–水、氧化铜–水和氧化铝–水纳米流体。氧化铜–水和氧化铝–水纳米流体的换热效率最大增幅分别为11.36%、11.98%。此外，三种纳米流体作为工作流体，其中氧化铜–水纳米流体的换热效率最大增幅为8.51%，氧化铝–水纳米流体和碳化硅–水纳米流体的换热效率最大增幅分别为6.44%、5.60%。

最后，控制纳米颗粒的大小和形状是制备纳米颗粒过程中的一个重要挑战，特别是在实际应用中，例如在散热器中使用纳米流体时这些因素都会对其热性能产生很大影响。

2 纳米流体电子冷却散热器的不同结构

散热器是由各种高导热性材料制成。本节讨论纳米流体电子冷却处理器的各种结构，包括传统的平行通道、热管、冲击射流、波状通道。

2.1 平行通道

平行通道是纳米流体电子冷却中最常用的散热器结构，这些散热器通常有圆形或矩形通道。

Al-Rashed 等分别通过数值模拟和实验研究了采用平行通道纳米流体对中央处理器（CPU）冷却效率的影响，工作流体分别为水和氧化铜–水纳米流体。结果表明，在使用纳米流体而不是纯水的情况下，换热效率增幅高达7.7%。

Sohel 等评估了使用三种不同纳米流体圆形通道的传统微通道的传热性能，并比较了二氧化钛–水、氧化铝–水和氧化铜–水纳米流体的传热性能。结果表明，采用氧化铜–水纳米流体作为冷却液时热效率明显提高，而采用氧化铝–水纳米流体和二氧化钛–水纳米流体时热效率增幅较小。

Lelea对传统微通道散热器中氧化铝–水纳米流体的流动和共轭传热进行了数值模拟。以方形流道、水力直径为50 μm 的通道为例，当颗粒粒径增大时，强化传热作用减弱。然而，对于更大的抽运功率，对于粒径大于28 nm 的纳米颗粒，传热增量保持不变。

综上，大多数对传统散热器的研究均表明，纳米流体增强了电子冷却过程中的传热特性，但也有一些研究认为纳米流体对散热器的热性能没有显著影响。由于传统散热器的温度均匀性较差，可以将其与相变材料（PCMs）一起使用，以改善其热性能。微通道散热器是一种很有前途的电子冷却结构，应对它们进行更为详细的评估，以便在电子工业领域中对其加以利用。

2.2 热管

采用纳米流体冷却电子设备的另一种设备类型是热管，其工作原理为基于封闭金属结构内的相变传热。

Yousefi 等在考虑倾角影响并采用纳米流体的情况下，对CPU 冷却热管的热性能进行了实验研究。研究结果表明，由于热管的毛细效应和沸腾限制，倾角对冷却过程会有影响。此外，对热管热阻的影响存在一个明显的阈值倾角。

Wan 等研究了电子冷却用纳米流体微环热管（mLHP）的传热特性。实验研究中采用的纳米流体由铜纳米粒子和纯水制备。用纳米流体代替纯水后，蒸发器壁温和总热阻分别降低了12.8%、21.7%，传热系数提高了19.5%。

Wang 等利用不同体积分数的水–铜纳米流体作为mLHP 中的工作流体，并将其用于电子冷却。通过实验研究了纳米颗粒的热性能，研究发现热通量和沸腾温度是纳米颗粒体积分数的非单调函数。此外，在纳米颗粒体积分数为1.5 %时可达到最高沸腾温度。

Asirvatham 等研究了水–银纳米流体对热管传热性能的增强作用。当纳米颗粒体积分数为0.009%时，热阻显著降低了76.2%，蒸发传热系数提高了52.7%。纳米颗粒的应用使器件的工作范围比应用纯水时拓宽了21%。

针对倾角或重力对CPU 冷却器中采用纳米流体的热管的热效率的影响进行的研究非常有限。鉴于这些参数对热效率有显著的影响，建议在今后的研究中应予以充分考虑。此外，关于纳米流体热管中热虹吸沸腾的研究也非常少，也应考虑对其进行更为精确的研究。

2.3 冲击射流

强化局部传热的一种有效方法是在受热面上采用冲击射流。冲击射流广泛应用在纸张干燥、涡轮叶片冷却、玻璃回火、金属板退火等工艺领域。冲击射流冷却有利于小边界层的形成。这一小边界层是由射流核心撞击目标表面的驻点流动造成的。鉴于冲击射流具有合适的特性，一些研究人员将其用于纳米流体对电子芯片的冷却中。

Nguyen 等研究了氧化铝–水纳米流体分别在水平、均匀和圆形表面上的受限和淹没冲击射流中的传热性能，以实现电子冷却。研究发现，在距离表面5 mm 和纳米颗粒体积分数为2.8%时使用中等喷嘴进行电子冷却可以获得最大的传热系数。然而，体积分数大的纳米流体不适合在受限冲击射流状态下强化传热。

Li 等采用两种类型的铜–水纳米流体（直径分别为25 、100 nm 的铜颗粒）进行喷射冲击冷却，并研究了雷诺数、纳米颗粒体积分数、流体温度、喷嘴–板间距和纳米颗粒尺寸对纳米流体冲击射流换热性能的影响。结果表明，纳米颗粒显著提高了铜–水纳米流体的对流换热系数，体积分数为3%的铜–水纳米流体的对流换热系数比纯水的高52%。实验结果表明，悬浮纳米颗粒几乎不会造成额外的压力损失。此外，还提出了一种新的关联式来预测系统的传热。

值得注意的是，冲击射流适用于相关表面冲击位置的局部冷却。然而，在纳米流体领域，研究人员只研究了电子冷却中的单射流，却没有研究将多股冲击射流用于宽平面的冷却，应对此方向给予重视。

2.4 波状通道

波状通道是一种通过改变平面直通道来获得更大热交换量的新型结构，其劣势是压力损失较大。考虑到波状通道对热系统的积极效应，有学者对将这种通道应用于采用纳米流体冷却电子器件的散热器中的效果进行了评估。

Sakanova 等在用于电子冷却的微通道换热器中采用波状通道结构，分别研究了采用3 种体积分数为1%～5%的纳米流体时的传热特性。结果表明，在以水作为冷却液的情况下，波状通道的换热量比通常的直通道散热器的换热量有较大的提高，而采用纳米流体来代替水对波状改性的影响并不明显。结果表明，金刚石–水纳米流体具有最大的换热量和最小的热阻。

由于对将纳米流体应用于散热器波状通道中的研究很少，因此无法得出适用于实际情况的一般结论。因此，需要进行更多的研究来更好地表征纳米流体在这种几何结构中的传热行为。