納米流體在電子冷卻中的應(yīng)用研究進展

李嘉煜，張 華

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

近年來，電子工業(yè)和半導體技術(shù)取得了長足的發(fā)展，但其在高性能、高熱流密度的產(chǎn)品冷卻方面仍然存在一些根本性的問題。事實上，普通的冷卻方法和常用的冷卻液都不能滿足高熱量電子芯片的冷卻要求。因此，高效率的電子設(shè)備需要采用新的方法和具有良好熱性能的冷卻液來散熱，以達到預(yù)期的效率和可靠性。研究表明，以液體為冷卻劑的微通道冷卻系統(tǒng)是現(xiàn)代電子冷卻中最有效的方法。

與傳統(tǒng)冷卻液相比，含有固體納米顆粒的懸浮液（簡稱納米流體）顯示出更大的熱屬性。研究人員回顧了在不同領(lǐng)域?qū){米流體進行的研究，例如納米流體的摩擦系數(shù)和對流換熱、將納米流體用于沸騰傳熱、納米流體中的粒子遷移、納米流體中的傳質(zhì)。研究表明，納米流體在傳熱系統(tǒng)中具有優(yōu)異的特性。此外，在散熱器中使用納米流體的研究報告也證明，與普通液體相比，這種新型懸浮液在電子冷卻方面的效果更好。綜上所述，微型通道系統(tǒng)和新型流體可以大大提高散熱效率，并可以滿足高熱量電子設(shè)備的冷卻要求。因此，基于納米流體的散熱器是下一代電子冷卻設(shè)備中很有前途的候選者。

本文概述了納米流體在電子冷卻中的應(yīng)用研究進展。從納米顆粒材料、散熱器幾何結(jié)構(gòu)兩方面進行闡述。同時，對該領(lǐng)域存在的不足和挑戰(zhàn)進行分析和討論，并提出今后的研究方向。

1 電子冷卻所用的納米材料

1.1 碳基納米顆粒

Nazari 等研究了氧化鋁和碳納米管組成的納米流體的冷卻性能，并將所得結(jié)果與普通流體（水和乙二醇）進行了比較。結(jié)果表明，采用體積分數(shù)為0.5%氧化鋁的納米流體的對流換熱系數(shù)大于普通流體。

Ali 等利用含有石墨烯納米板（GNPs）的納米流體評估針翅式散熱器對熱阻、對流換熱系數(shù)、對數(shù)平均溫差的角度效應(yīng)，研究了與正軸分別呈22.5°、45°和90°夾角的三個通道傾角的散熱器，其中通道傾角為22.5°的散熱器具有優(yōu)越的熱性能。

Ebrahimi 等提出了一種采用碳納米管納米流體評價微通道散熱器冷卻性能的數(shù)值方法。研究結(jié)果表明，隨著碳納米管納米層厚度的增加，微通道散熱器的溫度梯度減小。

以上研究成果表明，碳基納米流體顯著改善了散熱器的熱性能。然而，將碳基納米流體應(yīng)用于實際時存在的一個基本問題就是其在水介質(zhì)中的穩(wěn)定性差。它們具有天然的疏水性，因此不能像水一樣分散在極性液體中。為了提高納米顆粒的分散性，人們對其進行了酸處理，使其具有親水性。然而，有機溶劑和強酸通常會造成環(huán)境污染、腐蝕以及影響人們健康等問題，因此，采用綠色環(huán)保的方法對納米顆粒進行功能化是非常重要的。

1.2 氧化物納米顆粒

在不同的納米顆粒中，球形氧化物納米顆粒已被大量應(yīng)用于納米流體的合成。這類納米顆粒具有穩(wěn)定性好、成本低、導熱性好等優(yōu)點。在下文中將對電子冷卻中使用的氧化物納米顆粒材料如氧化鋁、二氧化鈦和二氧化硅等進行評述。

Hassani 等研究了不同翅片間距對V 形納米流體電子冷卻散熱器傳輸特性的影響。在納米顆粒的體積分數(shù)分別為0.5%、1.0%時，對含氧化鋁納米顆粒的水和水基納米流體分別進行了實驗研究。結(jié)果表明，由于翅片表面溫度的降低和出口冷卻液溫度的升高，采用間斷翅片可以獲得較好的傳熱效果。同時，由于散熱器翅片孔隙率的增加，壓力損失顯著降低。

Kamyar 等研究了分別填充水–氧化鋁和水–TiSiO納米流體的兩相閉式熱虹吸管的傳熱性能。結(jié)果表明，兩種納米流體均能降低傳熱熱阻，降低程度分別為65%（氧化鋁體積分數(shù)為0.05%）、57%（TiSiO體積分數(shù)為0.075% ），且均在提高傳熱系數(shù)、降低蒸發(fā)器壁溫等方面有促進作用。

Ambreen 等研究了納米流體和不同翅片截面形狀對微型針翅式散熱器傳熱特性的綜合影響，測試了具有相同翅片直徑和高度的方形、圓形和六邊形三種翅片結(jié)構(gòu)，并模擬了體積分數(shù)為4.31%、粒徑為30 nm 含二氧化鈦納米顆粒的水性納米流體。結(jié)果表明，利用納米流體進行冷卻時，圓形翅片表現(xiàn)出最高效的熱性能，其次是六邊形和方形翅片，而水冷時，方形翅片的傳熱性能最低。

Escher 等將含水二氧化硅納米顆粒懸浮液用于進行電子冷卻的微通道散熱器中。他們制作了三種尺寸的微通道，并將其熱性能描述為流量的函數(shù)。結(jié)果表明，采用納米流體可以提高微通道的換熱效率。

1.3 磁性納米顆粒

磁性納米流體（MNFs）或鐵流體是指磁性納米顆粒和非磁性基液的懸浮液。用于制備MNFs的磁性納米顆粒通常由金屬（鐵磁材料）如鈷、鐵、鎳及其氧化物如四氧化三鐵、尖晶石型鐵氧體等構(gòu)成。這類納米流體具有強化傳熱特性，且具有與普通液體一樣的流動性和與其他磁性材料相似的磁性。MNFs 的這些優(yōu)良特性使其能應(yīng)用于可利用外加磁場來管理液體運動、熱交換和顆粒運動等的環(huán)境中，因此這些懸浮液在傳熱工程、生物工程等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。在電子冷卻領(lǐng)域，研究人員也對這類納米流體進行了相關(guān)研究。

Gandomkar 等通過實驗評估了鐵基磁性納米流體對兩種不同材質(zhì)的脈動熱管（PHPs）熱效率的有效性。實驗熱管分別由玻璃和銅制成。結(jié)果表明，磁性納米流體在玻璃熱管中的穩(wěn)定性較高，且相較于銅熱管，在玻璃熱管中磁性納米流體的磁場應(yīng)用效果更好。

Jahani 等研究了微脈動熱管（MPHPs）中不同工作流體（包括水、鐵流體和銀納米流體）在電子冷卻過程中對熱阻的影響。實驗結(jié)果表明，水的最佳充液比為40%，而納米流體的最佳充液比為60%。在大多數(shù)情況下，采用納米流體的MPHPs 比采用水的MPHPs 具有更小的熱阻。

可以發(fā)現(xiàn)，將MNFs 應(yīng)用于電子冷卻的相關(guān)研究較少，但是這類納米流體具有優(yōu)異的性能，因此需要對其進行更為深入的研究，以便詳細了解MNFs 在散熱器中的特性。

1.4 混合納米流體

混合納米流體是一種通過分散納米顆粒而產(chǎn)生的新型納米流體，它以復合態(tài)或混合態(tài)形式存在。制備混合納米流體的目的是提高熱交換率，改善熱導率，并利用其某些特定的屬性。事實上，采用兩種或兩種以上不同材料制備得到的納米流體可以結(jié)合它們各自的特點，使其具有很好的應(yīng)用前景。為了更好地冷卻電子芯片，一些學者也在一些特定情況下采用混合納米流體進行相關(guān)研究。

Selvakumar 等將含有氧化鋁–銅納米顆粒的混合納米流體應(yīng)用于薄通道銅散熱器中。研究結(jié)果表明，與基液相比，混合納米流體的對流換熱系數(shù)顯著提高。此外，采用混合納米流體代替水時，泵送功率的增加小于對流換熱系數(shù)的增加。

Bahiraei 等研究了含有銀納米顆粒和石墨烯納米板的混合納米流體的有效性和第二定律屬性，同時設(shè)計了一種新型分配式散熱器，并將其與兩種常用散熱器的結(jié)構(gòu)進行了比較。結(jié)果表明，在考慮不可逆性和傳熱性能的情況下，新型分配式散熱器具有更好的散熱效果。此外，使用納米流體時新型分配式散熱器的散熱效果明顯優(yōu)于使用水時的效果。

Khaleduzzaman 等對不同納米粒子在電子冷卻中的熱性能進行了比較，并評估了微通道中納米流體的換熱效率。所使用的三種不同納米流體分別為碳化硅–水、氧化銅–水和氧化鋁–水納米流體。氧化銅–水和氧化鋁–水納米流體的換熱效率最大增幅分別為11.36%、11.98%。此外，三種納米流體作為工作流體，其中氧化銅–水納米流體的換熱效率最大增幅為8.51%，氧化鋁–水納米流體和碳化硅–水納米流體的換熱效率最大增幅分別為6.44%、5.60%。

最后，控制納米顆粒的大小和形狀是制備納米顆粒過程中的一個重要挑戰(zhàn)，特別是在實際應(yīng)用中，例如在散熱器中使用納米流體時這些因素都會對其熱性能產(chǎn)生很大影響。

2 納米流體電子冷卻散熱器的不同結(jié)構(gòu)

散熱器是由各種高導熱性材料制成。本節(jié)討論納米流體電子冷卻處理器的各種結(jié)構(gòu)，包括傳統(tǒng)的平行通道、熱管、沖擊射流、波狀通道。

2.1 平行通道

平行通道是納米流體電子冷卻中最常用的散熱器結(jié)構(gòu)，這些散熱器通常有圓形或矩形通道。

Al-Rashed 等分別通過數(shù)值模擬和實驗研究了采用平行通道納米流體對中央處理器（CPU）冷卻效率的影響，工作流體分別為水和氧化銅–水納米流體。結(jié)果表明，在使用納米流體而不是純水的情況下，換熱效率增幅高達7.7%。

Sohel 等評估了使用三種不同納米流體圓形通道的傳統(tǒng)微通道的傳熱性能，并比較了二氧化鈦–水、氧化鋁–水和氧化銅–水納米流體的傳熱性能。結(jié)果表明，采用氧化銅–水納米流體作為冷卻液時熱效率明顯提高，而采用氧化鋁–水納米流體和二氧化鈦–水納米流體時熱效率增幅較小。

Lelea對傳統(tǒng)微通道散熱器中氧化鋁–水納米流體的流動和共軛傳熱進行了數(shù)值模擬。以方形流道、水力直徑為50 μm 的通道為例，當顆粒粒徑增大時，強化傳熱作用減弱。然而，對于更大的抽運功率，對于粒徑大于28 nm 的納米顆粒，傳熱增量保持不變。

綜上，大多數(shù)對傳統(tǒng)散熱器的研究均表明，納米流體增強了電子冷卻過程中的傳熱特性，但也有一些研究認為納米流體對散熱器的熱性能沒有顯著影響。由于傳統(tǒng)散熱器的溫度均勻性較差，可以將其與相變材料（PCMs）一起使用，以改善其熱性能。微通道散熱器是一種很有前途的電子冷卻結(jié)構(gòu)，應(yīng)對它們進行更為詳細的評估，以便在電子工業(yè)領(lǐng)域中對其加以利用。

2.2 熱管

采用納米流體冷卻電子設(shè)備的另一種設(shè)備類型是熱管，其工作原理為基于封閉金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)的相變傳熱。

Yousefi 等在考慮傾角影響并采用納米流體的情況下，對CPU 冷卻熱管的熱性能進行了實驗研究。研究結(jié)果表明，由于熱管的毛細效應(yīng)和沸騰限制，傾角對冷卻過程會有影響。此外，對熱管熱阻的影響存在一個明顯的閾值傾角。

Wan 等研究了電子冷卻用納米流體微環(huán)熱管（mLHP）的傳熱特性。實驗研究中采用的納米流體由銅納米粒子和純水制備。用納米流體代替純水后，蒸發(fā)器壁溫和總熱阻分別降低了12.8%、21.7%，傳熱系數(shù)提高了19.5%。

Wang 等利用不同體積分數(shù)的水–銅納米流體作為mLHP 中的工作流體，并將其用于電子冷卻。通過實驗研究了納米顆粒的熱性能，研究發(fā)現(xiàn)熱通量和沸騰溫度是納米顆粒體積分數(shù)的非單調(diào)函數(shù)。此外，在納米顆粒體積分數(shù)為1.5 %時可達到最高沸騰溫度。

Asirvatham 等研究了水–銀納米流體對熱管傳熱性能的增強作用。當納米顆粒體積分數(shù)為0.009%時，熱阻顯著降低了76.2%，蒸發(fā)傳熱系數(shù)提高了52.7%。納米顆粒的應(yīng)用使器件的工作范圍比應(yīng)用純水時拓寬了21%。

針對傾角或重力對CPU 冷卻器中采用納米流體的熱管的熱效率的影響進行的研究非常有限。鑒于這些參數(shù)對熱效率有顯著的影響，建議在今后的研究中應(yīng)予以充分考慮。此外，關(guān)于納米流體熱管中熱虹吸沸騰的研究也非常少，也應(yīng)考慮對其進行更為精確的研究。

2.3 沖擊射流

強化局部傳熱的一種有效方法是在受熱面上采用沖擊射流。沖擊射流廣泛應(yīng)用在紙張干燥、渦輪葉片冷卻、玻璃回火、金屬板退火等工藝領(lǐng)域。沖擊射流冷卻有利于小邊界層的形成。這一小邊界層是由射流核心撞擊目標表面的駐點流動造成的。鑒于沖擊射流具有合適的特性，一些研究人員將其用于納米流體對電子芯片的冷卻中。

Nguyen 等研究了氧化鋁–水納米流體分別在水平、均勻和圓形表面上的受限和淹沒沖擊射流中的傳熱性能，以實現(xiàn)電子冷卻。研究發(fā)現(xiàn)，在距離表面5 mm 和納米顆粒體積分數(shù)為2.8%時使用中等噴嘴進行電子冷卻可以獲得最大的傳熱系數(shù)。然而，體積分數(shù)大的納米流體不適合在受限沖擊射流狀態(tài)下強化傳熱。

Li 等采用兩種類型的銅–水納米流體（直徑分別為25 、100 nm 的銅顆粒）進行噴射沖擊冷卻，并研究了雷諾數(shù)、納米顆粒體積分數(shù)、流體溫度、噴嘴–板間距和納米顆粒尺寸對納米流體沖擊射流換熱性能的影響。結(jié)果表明，納米顆粒顯著提高了銅–水納米流體的對流換熱系數(shù)，體積分數(shù)為3%的銅–水納米流體的對流換熱系數(shù)比純水的高52%。實驗結(jié)果表明，懸浮納米顆粒幾乎不會造成額外的壓力損失。此外，還提出了一種新的關(guān)聯(lián)式來預(yù)測系統(tǒng)的傳熱。

值得注意的是，沖擊射流適用于相關(guān)表面沖擊位置的局部冷卻。然而，在納米流體領(lǐng)域，研究人員只研究了電子冷卻中的單射流，卻沒有研究將多股沖擊射流用于寬平面的冷卻，應(yīng)對此方向給予重視。

2.4 波狀通道

波狀通道是一種通過改變平面直通道來獲得更大熱交換量的新型結(jié)構(gòu)，其劣勢是壓力損失較大?？紤]到波狀通道對熱系統(tǒng)的積極效應(yīng)，有學者對將這種通道應(yīng)用于采用納米流體冷卻電子器件的散熱器中的效果進行了評估。

Sakanova 等在用于電子冷卻的微通道換熱器中采用波狀通道結(jié)構(gòu)，分別研究了采用3 種體積分數(shù)為1%～5%的納米流體時的傳熱特性。結(jié)果表明，在以水作為冷卻液的情況下，波狀通道的換熱量比通常的直通道散熱器的換熱量有較大的提高，而采用納米流體來代替水對波狀改性的影響并不明顯。結(jié)果表明，金剛石–水納米流體具有最大的換熱量和最小的熱阻。

由于對將納米流體應(yīng)用于散熱器波狀通道中的研究很少，因此無法得出適用于實際情況的一般結(jié)論。因此，需要進行更多的研究來更好地表征納米流體在這種幾何結(jié)構(gòu)中的傳熱行為。

3 結(jié) 論

本文從納米顆粒材料和散熱器結(jié)構(gòu)兩方面綜述了納米流體在電子冷卻中的應(yīng)用研究進展。數(shù)值模擬和實驗研究均表明，納米流體在降低散熱器熱阻、提高對流換熱系數(shù)、提升溫度均勻性等方面與常規(guī)冷卻劑相比更為有效。今后的研究方向和存在的挑戰(zhàn)如下：

納米顆粒材料方面：

（1） 碳基納米流體在水介質(zhì)中的穩(wěn)定性差，需采用綠色環(huán)保的方法對納米流體進行功能化，使其發(fā)揮更大的效能，而含有生物制備的石墨烯納米管的納米流體可以作為電子制冷的合適候選材料；

（2） 具有熱磁效應(yīng)的散熱片在電子冷卻領(lǐng)域有著巨大的潛力。由于磁場、磁流體流動和散熱器中MNFs 的溫度分布之間會有適當?shù)年P(guān)聯(lián)，建議在未來的研究中，對熱沉中熱磁對流的磁黏性影響進行綜合評價；

（3） 使用含有碳基納米顆粒和磁性納米材料的混合納米流體可以有效提升散熱效果。利用磁性納米顆粒對碳納米管進行功能化，使得混合納米流體不僅具有高的傳熱效率，而且在外加磁場的作用下效果是可控的。建議加強對在不同的散熱器中使用這些混合納米流體進行研究。

散熱器結(jié)構(gòu)方面：

（1） 傳統(tǒng)的平行通道散熱器應(yīng)與相變材料結(jié)合使用，以提高其傳熱性能。該領(lǐng)域的研究可以從三個方面進行：尋找冷卻設(shè)備的最佳幾何結(jié)構(gòu)、縮短特征長度以及提高冷卻液的熱性能。也應(yīng)對電子處理器冷卻裝置的熱設(shè)計進行修改，以便與納米流體相適應(yīng)；

（2） 由于影響散熱器換熱特性的原因很多，目前還沒有一個可用于預(yù)測散熱器中的納米流體換熱增強的公式。研究人員需要精確地研究納維–斯托克斯方程在不同散熱器中的連續(xù)性假設(shè)和適用性，以用于模擬微通道中納米流體的傳熱和流動行為；

（3） 在不同的散熱器中，采用機械泵輸送液體會導致能耗增加、運動部件產(chǎn)生不必要的振動和噪聲等問題，從而降低了冷卻裝置的運行可靠性，因此裝置的維修問題應(yīng)予以考慮；

（4） 電子冷卻中流體通道的尺寸非常小，相比于其他工業(yè)領(lǐng)域，納米顆粒的團聚問題在電子冷卻中顯得更為重要。