3.冷卻液

3.1。常規(guī)冷卻劑

有許多水性和非水性常規(guī)冷卻劑用于各種電子冷卻系統(tǒng)。與其他冷卻劑相比，水具有更高的熱導(dǎo)率、比熱和更低的粘度，因此它是電子產(chǎn)品中使用最廣泛的冷卻劑。但是水不用于閉環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)樗谋c(diǎn)很高，而且在冷凍時(shí)會(huì)膨脹。盡管如此，為任何特定設(shè)備或冷卻系統(tǒng)選擇最佳冷卻液是很重要的。對(duì)冷卻劑有一些一般要求，這些要求可能因冷卻系統(tǒng)和電子設(shè)備的類型而異。正如文獻(xiàn)[26]中充分討論的那樣，用于電子設(shè)備冷卻的液體冷卻劑必須是不易燃、無毒、廉價(jià)的，具有優(yōu)異的熱物理性質(zhì)和特征，包括高導(dǎo)熱性、比熱和HTC以及低粘度。除了良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性外，冷卻劑還必須與冷卻系統(tǒng)和設(shè)備的部件材料兼容（例如，無腐蝕性）。然而，不能僅根據(jù)傳熱特性來選擇用于直接浸沒冷卻的冷卻劑。冷卻劑的化學(xué)兼容性電子冷卻4

芯片和其他封裝材料也必須考慮。電子產(chǎn)品冷卻常用的冷卻劑主要分為兩類：電介質(zhì)冷卻劑和非電介質(zhì)冷卻劑。電介質(zhì)冷卻劑有幾種類型，包括芳烴、脂肪族、硅酮和氟碳基流體。芳烴冷卻劑，如二乙苯（DEB）、甲苯和苯是最常用的冷卻劑。鏈烷烴和石蠟類的脂肪烴（包括礦物油）和脂肪族聚α烯烴（PAO）用于各種電子產(chǎn)品的直接冷卻。基于硅酮的冷卻劑是另一種流行的冷卻劑，被廣泛稱為硅油，例如Syltherm XLT。氟碳化合物系列冷卻劑，如FC-40、FC-72、FC-77和FC-87，在電子工業(yè)中被廣泛接受。非電介質(zhì)液體也用于電子設(shè)備冷卻，因?yàn)榕c電介質(zhì)液體相比，它們具有更好的熱性能。它們通常是水溶液，因此表現(xiàn)出高的熱容和導(dǎo)熱性。水、乙二醇和這兩者的混合物（W/EG）非常流行，并被廣泛用作電子冷卻劑。其他流行的非電介質(zhì)冷卻劑包括丙二醇（PG）、水/甲醇、W/乙醇、NaCl溶液、甲酸鉀（KFO）溶液和液態(tài)金屬（例如，Ga-In-Sn）。Mohapatra和Loikits[26]評(píng)估了在各種冷卻劑中，KFO溶液具有最高的整體效率。比較所有類型可用冷卻劑的各種特性和特性有助于選擇正確的冷卻劑。

3.2. 潛在的新冷卻劑

如前所述，現(xiàn)代電子設(shè)備或系統(tǒng)的冷卻需求無法由那些傳統(tǒng)的冷卻劑來滿足，因?yàn)樗鼈児逃械妮^差的熱性能極大地限制了冷卻性能。在這里，新出現(xiàn)的傳熱流體，如流體和離子流體，具有非常理想的優(yōu)越的熱性能，甚至適用于微系統(tǒng)，可以作為冷卻解決方案。這些新流體還可以在廣泛的工業(yè)、電子和能源領(lǐng)域提供巨大的好處和潛在的應(yīng)用[12-14，17]。以下小節(jié)簡(jiǎn)要總結(jié)了這些新型冷卻劑的關(guān)鍵傳熱特性的結(jié)果，包括熱導(dǎo)率、對(duì)流和沸騰。

3.2.1. 熱性能和性能總結(jié)

對(duì)納米流體的熱導(dǎo)率進(jìn)行了廣泛的研究，研究表明，與基礎(chǔ)流體相比，納米流體具有高得多的熱導(dǎo)率[8，12，27-28]。然而，不同研究小組的結(jié)果并不十分一致，有時(shí)也存在爭(zhēng)議，特別是在傳熱機(jī)制方面[29]。納米流體還表現(xiàn)出比基礎(chǔ)流體更好的其他熱物理性質(zhì)[8，27，30–32]。納米流體具有極高的熱性能，可以滿足高科技電子設(shè)備的冷卻需求。評(píng)估納米流體的對(duì)流傳熱性能對(duì)于其在電子中作為冷卻劑的應(yīng)用非常重要。已經(jīng)有大量的研究，

發(fā)現(xiàn)納米流體和納米流體的對(duì)流傳熱在任何流動(dòng)條件下與它們的基礎(chǔ)流體相比都表現(xiàn)出增強(qiáng)的HTC。隨著納米顆粒濃度以及雷諾數(shù)（Re）或流速的增加，增強(qiáng)的HTC（h或Nu）進(jìn)一步顯著增加[9，33–34]。HTC的增強(qiáng)是更顯著的干擾機(jī)制。基于對(duì)流傳熱的發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為在電子冷卻系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)流體相比，納米流體可以進(jìn)行更好的冷卻。另一種非常重要和有效的冷卻模式是各種熱交換系統(tǒng)中流體的沸騰或相變。人們?cè)絹碓疥P(guān)注納米流體的這一關(guān)鍵冷卻特性。對(duì)納米流體沸騰傳熱的研究表明，納米流體的沸騰臨界熱通量顯著增加（高達(dá)基礎(chǔ)流體的幾倍）[9，35-36]。研究還表明，納米顆粒濃度和各種其他因素（如納米顆粒在加熱器壁上的沉積、壁表面的粗糙度和表面活性劑的添加）可以進(jìn)一步提高納米流體的沸騰性能[35-38]。考慮到優(yōu)越的對(duì)流和沸騰傳熱性能，這些新流體可以考慮增加HTC，并可以作為比水或其他傳統(tǒng)冷卻劑更好的冷卻劑。與納米流體一樣，離子流體也表現(xiàn)出優(yōu)越的熱性能，特別是與基礎(chǔ)離子液體相比的熱導(dǎo)率和熱容[15-17]。除了具有良好的熱穩(wěn)定性外，離子液體的熱物理性質(zhì)還可以通過改變基礎(chǔ)離子液體的離子組成和結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)。早期研究表明，這些新型納米流體顯示出巨大的潛力，可作為電子產(chǎn)品冷卻的先進(jìn)冷卻劑[16-17]。

3.2.2. 新流體在電子產(chǎn)品冷卻中的潛力

近年來，人們對(duì)微通道冷卻系統(tǒng)（如散熱器）在電子設(shè)備冷卻中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究[4，5，39]。由于對(duì)流HTC與通道的水力直徑成反比，因此在任何流動(dòng)狀態(tài)下使用微通道都可以實(shí)現(xiàn)非常高的傳熱性能。冷卻流體通過微通道散熱器的強(qiáng)制對(duì)流傳熱是更具前景的技術(shù)之一，它可以提供非常高的排熱率[4，5，21，39]。然而，冷卻性能的主要限制實(shí)際上是由于所用冷卻劑的低傳熱能力引起的。在這方面，具有優(yōu)異傳熱性能的納米流體有可能進(jìn)一步提高微通道冷卻系統(tǒng)的散熱性能，并能夠去除高科技電子設(shè)備的高熱通量。納米流體已直接用于電子或計(jì)算設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，以評(píng)估這些新流體的性能[40-42]。結(jié)果非常有希望，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的基礎(chǔ)流體相比，納米流體在這些冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了更好的冷卻性能[39-43]。因此，納米流體在傳統(tǒng)和新興技術(shù)中的應(yīng)用，如微通道和熱管，可以成為下一代電子冷卻系統(tǒng)。詳細(xì)討論和分析電子冷卻的潛在效益6

作者[44]正在進(jìn)行的一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)了納米流體在冷卻電子器件中的應(yīng)用。

4.結(jié)論

電子和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致高性能芯片和部件的熱通量密度急劇增加，而傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和冷卻劑在滿足這種高發(fā)熱電子設(shè)備或微處理器日益增長(zhǎng)的冷卻需求方面越來越不足。盡管在過去的幾十年里取得了良好的進(jìn)展，但在這些電子產(chǎn)品的熱管理和冷卻方面仍然存在一些嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)。高性能芯片和器件采用了創(chuàng)新的機(jī)制、技術(shù)和具有高傳熱能力的冷卻劑，以提高冷卻速率，從而實(shí)現(xiàn)其正常性能和壽命。納米流體具有優(yōu)異的熱性能和冷卻特性，有望用作高科技電子設(shè)備和工業(yè)的冷卻劑。新興的技術(shù)，如使用這些新流體的微通道，可以成為下一代冷卻技術(shù)。