一种由液-液封装辅助的混合浸没式冷却：瞬态热点热管理的颠覆性方案

《Journal of Colloid and Interface Science》：A hybrid immersion cooling assisted by liquid-liquid encapsulation: A game changer for thermal management of transient hotspots

　　

假设
瞬态热点日益限制下一代电子与能源系统的发展，局部热量爆发可能超出传统浸没式冷却的应对能力。单相浸没式冷却(SPIC)缺乏足够的局部冷却能力，而两相浸没式冷却(TPIC)难以在热点处精确触发。研究人员假设，在单相水浸没系统中加入低沸点活化液滴，可形成一种将局部相变激活与主体液体散热相耦合的混合策略，从而实现快速、空间靶向的热点抑制。

实验
采用同步红外(IR)热像法与高速成像评估冷却性能，并在不同热流密度、浸没深度和活化液滴尺寸下与传统浸没式冷却策略进行对比。研究人员开发了一种受限重力驱动液-液封装(LLE)路线，以原位制备封装型活化液滴并调控其沸腾行为。

结果
通过在热点处选择性激活沸腾，将快速相变吸热与周围水的有效对流相结合，抑制了瞬态温度波动；在14.4 W/cm²热流密度下，热点中心在15 s内冷却约17 °C。重力驱动封装进一步通过界面工程实现了可编程沸腾，拓宽了该策略在不同热点场景下的灵活性。更广泛地，本工作确立了可编程液-液界面作为调控先进热管理中局部相变的多功能途径。

随着人工智能(AI)驱动的数据中心向更高计算密度与系统集成度发展，芯片表面出现局部化、短时标的瞬态热点问题，对热管理的响应速度与空间精度提出严苛要求。传统单相浸没式冷却(SPIC)受限于介电冷却液的物性，局部换热能力不足；两相浸没式冷却(TPIC)虽利用相变潜热，但存在核态沸腾起始(ONB)延迟、临界热流密度(CHF)受限及运行复杂等缺陷。为此，研究人员提出一种混合浸没式冷却(HIC)策略：在去离子水(DI)主体浸没液中引入低沸点Novec-7100活化液滴，使热点区域局部触发沸腾，同时保留主体水的单相对流散热，从而实现快速、空间靶向的热点抑制。该研究发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。

在技术方法上，研究人员搭建了模块化实验系统，采用同步红外(IR)热像法与高速成像监测加热芯片底面的瞬态温度场与液滴/气泡动力学；以蓝宝石基氧化铟锡(ITO)加热芯片模拟瞬态热点，在5.5、9和14.4 W/cm²三种热流密度下，将HIC与Novec-7100 TPIC、去离子水SPIC及FC-40 SPIC进行对比。进一步，研究人员开发了受限重力驱动液-液封装(LLE)技术，利用疏水环在液面约束硅油或含氮化铝(AlN)微粒的硅油界面层，使Novec-7100液滴原位穿透、夹断并被壳层包裹，从而制备功能化封装液滴并调控其沸腾行为。

研究结果如下：

3.1 混合浸没式冷却策略的瞬态热点抑制性能
通过对比不同冷却策略的瞬态温度响应，发现在高热流密度(14.4 W/cm²)下，HIC使热点中心温度在15 s内降低约17 °C，冷却速率显著高于TPIC与SPIC。尽管TPIC的ONB过热度(ΔT_bot,ONB)更低，但HIC通过局部沸腾与周围水对流的协同作用，实现了更高效的瞬态热量移除。

3.2 活化液滴对热点温度分布的影响
同步高速成像与IR热像显示，液滴覆盖区域在沸腾前温度较高，但液滴沸腾引发的内部循环、界面Marangoni对流可增强周围水的自然对流，使液滴覆盖区之外的温度甚至低于纯水SPIC。浸没深度与液滴尺寸的实验表明，增加浸没深度可延长冷却持续时间，而较小液滴响应更快但潜热容量有限，存在快速抑制与持续冷却之间的权衡。

3.3 基于受限重力驱动液-液封装的功能化活化液滴制备
利用疏水环约束界面层，研究人员通过受限重力驱动LLE成功将Novec-7100核心液滴包覆以硅油壳层或含AlN微粒的硅油壳层。不同密度的壳层液体均可形成稳定核壳结构，实现原位制备毫米级封装液滴，避免了液滴转移与挥发。

3.4 封装活化液滴对混合浸没式冷却沸腾特性的调控
沸腾行为研究表明，纯硅油壳层通过增加热阻和成核能垒，使液滴积累更高过热度，从而在9 W/cm²下触发爆炸式沸腾，冷却速率最高但峰值温度升高约8 °C；添加1.5 vol% AlN微粒后，成核位点增多，气泡密度提高、尺寸减小；当AlN浓度增至13.1 vol%时，热点温度过冲消失。在14.4 W/cm²下，含AlN壳层使峰值温度降低约10 °C。

在讨论部分，研究人员基于温度依赖的界面张力估计了封装液滴的自解包裹机制：当温度升高约39 °C以上时，水下解包裹的吉布斯自由能变为负值，表明壳层可能在沸腾诱导下发生热力学有利的自发解包裹，但该预测仍需实验验证。结论部分指出，HIC将局部沸腾与主体液自然对流相结合，以极小活化液滴体积实现相变冷却，显著降低冷却液消耗与系统成本；结合受限重力驱动LLE，可通过壳层成分调控沸腾行为，为高性能处理器、功率电子、电池及光电器件等领域提供一种自适应、低成本、智能化的瞬态热点热管理途径。