采用MWCNT-LA NEPCM散热器和U型热管技术的电子处理器冷却系统，实现了更出色的热管理和能源效率提升

《Next Energy》：Enhanced thermal management and energy efficiency in electronic processor cooling using MWCNT-LA NEPCM heat sink with U-tube heat pipes

本研究开发了一种集成多壁碳纳米管浸渍月桂酸（MWCNT-LA）的U型管热管散热器，使用n-戊烷作为工作流体，通过实验评估了不同热载荷和填充比例下的热阻与能效。结果表明，50% n-戊烷填充时热阻最低为0.63°C/W，较未填充版本效率提升3.58倍，能效达78%，有效改善电子处理器散热性能。

　　随着现代数字技术的迅猛发展，数据中心在存储、处理和管理大量数据方面发挥着至关重要的作用。然而，数据中心对电子设备的依赖也带来了前所未有的挑战，尤其是在热管理方面。电子处理器在运行过程中会持续产生热量，尤其是在处理高负载任务时，热量的积累可能导致温度迅速上升，进而引发热冲击和系统故障。因此，确保处理器的稳定运行和高效散热成为数据中心设计和运营中的关键环节。传统的主动冷却系统虽然能够有效降温，但其高能耗问题日益突出，使得开发更加节能和高效的被动冷却技术成为研究的热点。

相变材料（PCM）因其在相变过程中能够吸收和释放大量热能而被广泛应用于热管理领域。然而，PCM本身存在热导率低的问题，限制了其在高热流密度下的应用效果。为了解决这一问题，研究人员引入了纳米增强相变材料（NEPCM），通过在PCM中添加纳米颗粒，如多壁碳纳米管（MWCNT），从而显著提升其热导率和热储存能力。此外，热管技术的结合为NEPCM提供了更高效的热传输路径，使系统能够在更短的时间内完成热循环，并实现更低的热阻和更高的能效。

本研究聚焦于一种新型的MWCNT-月桂酸（MWCNT-LA）NEPCM散热器，其内部填充了n-戊烷作为热管的工作流体。通过在不同热负载和热管填充比条件下进行实验评估，研究者发现，当热管填充比为50%时，该散热器在75%热负载下表现最佳，其热阻最低为0.63°C/W，比未填充热管的版本提高了3.58倍，并实现了78%的节能效果。这种设计不仅提升了散热效率，还减少了冷却风扇的能耗，从而显著提高了系统的整体能效。

研究团队在实验过程中采用了多种材料和技术手段。例如，MWCNT的合成通过催化化学气相沉积法完成，使用了钴氧化物纳米颗粒作为催化剂，最终得到高质量的MWCNT。这些纳米材料被掺入月桂酸中，以增强其热导率。通过搅拌、超声波分散等方法，确保MWCNT均匀分布于月桂酸中，形成稳定的纳米增强相变材料。同时，热管的结构设计也至关重要，研究团队采用了U型铜管，并在热管内部填充了铜丝网作为wick结构，以增强液体流动和热传导性能。n-戊烷作为工作流体，因其较低的沸点（36.1°C）和环境友好性，被选为最佳选择。

在实验设置方面，研究团队构建了一个包含加热单元、冷却系统和数据采集系统的测试平台。加热单元模拟了处理器在高负载下的热生成情况，而冷却系统则通过连接至心理计量室的冷却管道，向热管冷凝段提供低温空气，以实现有效的热散逸。数据采集系统利用T型热电偶实时监测温度变化，并通过数据记录仪进行数据存储和分析。整个实验过程在恒定的环境温度下进行，以确保实验结果的准确性和可比性。

研究结果表明，不同热管填充比对NEPCM的热阻和再生效率具有显著影响。在25%、50%和75%的热负载下，热管填充比为30%、50%和70%的三种配置分别表现出不同的性能。其中，50%填充比的热管在所有热负载条件下均表现出最低的热阻，且在75%热负载下达到了最佳的再生效果。这表明，50%的填充比在热管和NEPCM之间提供了一个理想的平衡，既保证了足够的热传输能力，又避免了因过度填充导致的热管效率下降问题。

此外，实验还揭示了热管在提升NEPCM再生效率方面的重要性。通过热管的蒸发和冷凝过程，热量能够被快速传输至冷凝段，从而加速NEPCM的相变过程，减少热储存材料的再生时间。在热管填充比为50%的情况下，散热器的再生效率显著提升，同时风扇的能耗大幅降低，从而实现了更高的整体能效。相比之下，30%和70%的填充比虽然在某些条件下表现出一定的优势，但在热负载较高时，其热阻和再生效率均不如50%填充比的热管。

该研究的成果为数据中心的热管理提供了新的思路。传统的主动冷却系统虽然能够快速散热，但其高能耗问题制约了数据中心的可持续发展。而MWCNT-LA NEPCM热管散热器则通过被动冷却技术，有效降低了冷却系统的能耗，同时保持了较高的热传导效率。这种设计不仅能够提高处理器的稳定性和寿命，还可能为数据中心的紧凑化设计提供支持，从而减少基础设施成本，提高整体运营效率。

研究团队还对不同热管配置下的能量节约潜力进行了评估。结果显示，50%填充比的热管散热器在不同热负载条件下均表现出较高的能量节约率。在25%热负载下，其能量节约率为49%和51%，而在50%热负载下，分别达到78%和35%。这表明，该散热器在较低热负载下也能够显著降低能耗，而在高负载条件下则表现出更优的性能。这些数据为实际应用提供了重要的参考依据，证明了MWCNT-LA NEPCM热管散热器在节能和高效散热方面的双重优势。

在实际应用中，该散热器可以作为数据中心冷却系统的重要组成部分。通过将热管与NEPCM结合，系统能够在不依赖高能耗风扇的情况下，实现对处理器的高效冷却。这种设计特别适用于需要处理瞬时热负荷或热波动的电子设备，能够有效防止因温度过高而导致的系统故障。此外，由于其较低的热阻和较高的再生效率，该散热器还能够延长电子设备的使用寿命，减少维护成本。

研究的创新点在于将MWCNT与月桂酸结合，同时优化热管的填充比，从而在提升热导率和热储存能力的同时，确保系统的稳定运行。这种协同作用不仅提高了散热效率，还降低了冷却系统的整体能耗，为未来数据中心的绿色和可持续发展提供了新的解决方案。此外，该研究还强调了材料选择和结构设计在热管理中的关键作用，为相关领域的进一步研究提供了理论支持和技术参考。

总之，本研究通过实验和分析，揭示了MWCNT-LA NEPCM热管散热器在数据中心冷却中的高效性和节能潜力。该设计不仅提升了散热器的热管理性能，还为电子设备的稳定运行和系统可靠性提供了保障。随着技术的不断进步和对能效的持续追求，这种结合纳米技术和热管的新型散热器有望在未来数据中心中发挥重要作用，推动更加高效和环保的冷却方案的实施。