综述：高热流电子设备与可持续能源系统中的微通道冷却技术：结构、机制及工程挑战

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Microchannel cooling for high heat flux electronics and sustainable energy systems: Structures, mechanisms, and engineering challenges

　　刘东|杨亮|周瑞玉|白静 中国上海200093，上海科技大学能源与动力工程学院 摘要 微通道冷却技术是高端电子设备及可持续能源系统中的核心热管理解决方案，应用范围包括高功率芯片、服务器、可再生能源设备以及新能源汽车。在全球碳中和目标的推动以及计算能力呈指数级增长的背景下，降低冷却能耗并提升系统效率已成为亟需解决的难题。在后摩尔时代，芯片的总功耗可达到千瓦级，局部热流密度甚至可高达1000瓦/平方厘米。传统的空气冷却和常规液冷方式主要依靠毫米级的通道以及液冷板中较长的热传递路径，由于其较高的热阻、较低的能效以及较差的温度均匀性，逐渐成为限制计算能力进一步提升以及低碳能源系统稳定运行的瓶颈。在此背景下，微通道散热技术凭借其短热传递路径、高集成度以及大比表面积等优势，成为突破热限制的关键解决方案。本文从通道几何结构、湍流增强结构、仿生设计、拓扑优化配置、增材制造以及能源可持续性等方面，综述了该领域的最新研究进展，重点分析了相关设计原理及其背后的性能机制。针对高热流密度冷却的需求，本文提出了未来的研究方向，包括多结构耦合的集成设计、极端工况下的优化以及低成本可规模化制造。此外，本文不仅从增材制造的角度评估了微通道的制造可行性与经济性，还从能效角度分析了其在数据中心、动力电池以及光伏和燃料电池等可持续能源应用中的节能潜力，旨在为可持续低碳能源基础设施的微通道热管理系统设计提供参考。引言 随着电子设备的小型化以及新能源设备功率密度的不断提升，高热流密度冷却的需求日益增加。传统的空气冷却和常规液冷方式由于热传递系数不足且散热能力有限，难以满足这一需求。微通道换热技术凭借其高比表面积和高热传递效率的优势，成为解决这一问题的关键方案。自20世纪80年代矩形微通道被引入并证实其高效的换热性能以来，这一领域已成为研究热点，应用范围涵盖了从高功率芯片到新能源汽车和低空飞行器等诸多领域，如图1所示。更为重要的是，微通道冷却技术的创新与发展与全球能源与环境转型以及资源治理策略密切相关。从宏观能源系统角度来看，由于全球计算能力需求的迅猛增长，数据中心已成为能源消耗的大户和碳排放的重要来源。统计数据显示，冷却系统占数据中心总能耗的30%至40%。采用高效微通道热管理技术可显著提升能源利用效率，从而助力实现全球碳中和目标以及节约能源、减少排放的迫切需求。此外，在资源治理和循环经济的框架下，有效的热管理不仅对设备的短期运行安全至关重要，也对电子元件的长期可靠性有着重要影响。通过解决极高热流密度带来的散热瓶颈，微通道技术能够有效减缓因热老化导致的设备性能下降，减少电子垃圾的产生，提高稀缺计算资源的利用效率。因此，本研究不仅致力于突破高功率芯片的物理散热极限，还希望通过技术创新推动电子设备向高效、低碳和可持续的方向发展，为能源系统的可持续发展以及更完善的资源治理提供重要的科学基础和技术支持。从整个领域的发展来看，微通道技术具有三大核心优势。首先，其热传递效率远高于传统冷却技术，能够有效应对超高热流密度，满足高功率设备的严格要求。其次，它具有出色的结构紧凑性，可大幅减小冷却系统的体积，以适应现代设备的微型化需求。第三，它具备较高的设计灵活性，可通过结构改造和材料工程手段，适应不同的热流分布和运行条件。然而，该技术仍面临诸多挑战。首要问题是制造成本较高，由于需要精密加工和高端材料，这些解决方案的成本通常是传统方案的3到5倍。尽管在开发低成本技术方面已取得一定进展，但实现成本的可规模化降低仍是一个重大障碍。此外，制造和材料方面也存在瓶颈：在复杂的流道中实现精确控制十分困难，而高性能的导热材料往往成本高昂且加工难度大，这限制了结构的优化。另外，多相流的稳定性也不够理想，沸腾过程中容易发生气泡堵塞和流场分布不均，影响设备的长期运行可靠性。最后，基础研究与工程应用之间存在差距，难以在实际运行条件下复制实验室中创新结构的性能。为应对这些问题，研究人员开发了一系列不同的微通道结构，包括矩形微通道、集流管微通道以及仿生设计结构，这些设计的核心目标是“提升热传递效率、优化流场、降低能耗并提高可靠性”。这些不同结构在性能侧重和应用场景方面各有特点，共同推动了该领域的技术进步。经过数十年的发展，研究人员设计了多种微通道结构，以提升热传递效率、优化流场、降低成本并提高可靠性，但每种结构都存在一定的权衡关系。传统的矩形微通道虽然成本低且技术成熟，但由于平行支路中存在流场分布不均和气泡堵塞的问题，会导致局部效率下降15%至30%，因而难以用于高功率应用。集流管微通道通过分流再合并的结构设计，可将流场偏差控制在5%以内，效率提升20%至40%，且阻力更低，但其规模化应用受到精密加工成本的制约。仿生设计结构（如叶脉状、螺旋状结构）通过分层分支结构来适应非均匀的热流分布，可将平面内的温度差异控制在5摄氏度以内，但在优化和动态控制方面存在困难。脉冲微通道则可通过自发的汽液振荡，在热流波动达±40%的情况下保持结构稳定性，但其作用机制尚未完全明确，且对热传导系数的提升效果有限。最后，开放式微通道虽有利于汽液分离并降低压力损失，但由于表面积有限，低负载条件下的效率较低，因此需要采用分层微纳结构来弥补这一缺陷。尽管微通道技术研究已取得重大突破，涌现出许多创新方向，但目前该领域的研究仍存在明显局限。大多数研究仅关注单一结构或单一技术点的性能提升，缺乏对不同结构设计原则、性能边界以及适用场景的系统性比较。由于未能充分分析结构优缺点与运行条件之间的匹配关系，往往导致工程选型时出现盲目性。此外，针对极端运行条件下的适应性等前沿方向的研究尚未形成完整的理论体系，这也进一步限制了微通道技术在高功率电子和新能源系统等领域的广泛应用。因此，本文从微通道几何结构、湍流增强结构、仿生及拓扑优化配置以及增材制造和能源可持续性四个方面，对当前的研究进展进行了分类综述。第二章重点探讨通道几何结构层面的优化，从非常规横截面、长宽比以及流道形状三个维度，分析了微通道几何参数对热工水力性能的影响。第三章总结了湍流增强结构方面的研究进展，包括侧壁肋片、针状鳍片及其组合结构的设计原理和性能机制。第四章介绍了仿生设计及拓扑优化在微通道散热中的应用和创新机制，涵盖了动物仿生、植物仿生以及拓扑优化结构三大类。第五章从增材制造的经济性、能效指标以及在可持续能源系统中的适用性等方面，分析了微通道散热器的工程应用前景。最后，本文提出了未来的关键研究方向。本文旨在为不同应用场景下的微通道结构选择提供综合的性能对比和设计参考，帮助研究人员根据实际需求选择合适的结构，从而推动微通道换热技术的工程应用创新。片段介绍 不规则横截面 早期对矩形和圆形微通道的研究已经证实了它们的热增强潜力。为了解决热传递效率低和压力损失大的问题，研究人员采用了非矩形横截面，如三角形、梯形、菱形和六边形结构（见图2）。这些结构通过流体扰动、二次涡流以及界面混合来提升热传递效率，但会增加压力损失，且需要精确的蚀刻或成型工艺。马汀等人[27]采用了高分辨率技术。侧壁肋片结构 壁侧肋片是微通道结构优化中的核心策略。它们通过引发二次流并促进边界层分离，增强流体扰动，打破热边界层的形成。这种结构不仅能增加热传递表面积，还能减少气泡积聚和蒸汽倒流现象。此外，侧壁肋片还可以降低流速，而肋片内部形成的涡流则可将滑动摩擦转化为…… 仿生结构与拓扑优化结构 随着微电子、新能源和航空航天领域向更高集成度和更高功率密度的方向发展，设备的热流密度也在呈指数级上升。由于传统微通道的热传递效率有限，已无法满足高热流密度冷却的需求。在这种情况下，将仿生学原理与微通道冷却技术相结合，可以为解决这一问题提供创新思路。大自然经过数十亿年的演化，形成了高效 的流体传输和热交换结构，这些结构为…… 增材制造与微通道的能源可持续性 前文已经介绍了各种微通道结构的传热机制和性能调控方法。然而，技术的工程化应用不仅取决于热效率，还与制造成本和环境可持续性密切相关。本章将从工艺成本、制造可行性、能效以及低碳应用等方面，探讨微通道技术的工程应用前景。结论 本文综述了微通道散热技术的发展进展，重点分析了通道几何结构、湍流增强结构以及仿生和拓扑优化设计。同时，也明确了不同结构的优缺点，并对其制造可行性、经济性以及可持续节能潜力进行了评估。考虑到高热流密度冷却的需求，本文为相关工程的开展提供了理论支持和设计参考。作者贡献声明 刘东：撰写——初稿、方法论、实验研究、正式分析、数据整理。杨亮：撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、概念构思、资金申请。周瑞玉：实验研究、验证、正式分析、数据整理。白静：验证、资源协调。利益冲突声明 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢 本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52176015、51606125）和上海市自然科学基金（项目编号23ZR1444900）的支持。