散热需求分析：探究散热效率提升的技巧

热能作为一种产物或者副产物几乎产生于所有能量转换过程，这使热能成为人类利用能源的最广泛形式，例如电能使用过程中会产生大量的焦耳热，机械设备运行过程中会产生摩擦热，化学反应过程中会释放热量。因此，热能广泛存在于人类的生产生活中，例如消费电子、航空航天、智能电网、新能源等行业。大量的热量如果不能被及时散出，会导致设备温度持续升高，导致设备性能衰退，故障率提高，寿命衰减，甚至引发安全事故。因此，一般而言，要维持设备安全高效工作，其温度应该控制在阈值温度以下。随着科学技术的迅猛发展，现有设备高度集成化不断发展，导致其功率和热流密度逐渐提高，对发热设备的冷却散热技术也提出了更高的要求。同时，未来高精尖设备一般在极端条件运行，例如高超声速飞行器、超级高铁、太空激光器等，传统冷却技术已无法满足其散热需求。因此，迫切需要研究和开发面向下一代的极端热流密度器件散热技术。

散热需求的不断提高推动着冷却技术的快速发展。风冷是目前很多低功耗设备普遍采用的散热方式，具有简单、可靠、成本低的优势，但其散热能力十分有限，一般只能用于热流密度小于10 W/cm2的情形。热管是一种高效的热传输元件，它具有极高的等效热导率，比常用的铝、铜等高导热金属的热导率还要高出两个数量级。通常，其散热热流密度在 10～100W/cm2。当面对更高的热流密度，比如100～1000 W/cm2时，往往需要采取液冷措施，包括单相对流液冷和两相沸腾冷却。尽管水冷技术在应对高热流冷却方面具有很大的优势，但是仍然面临一些问题：①水的热导率较低，仅为 0.6 W/（m·K），这导致其对流换热能力较差；为此人们发展出微流道技术，但这又会带来的一个问题是冷板流动阻力巨大，相应的泵功耗高，存在泄露风险，且容易发生流道堵塞；②水的工作温区有限，在温度高于 100℃时将会发生沸腾，带来严重的系统稳定性问题，对于跨越 100℃的热传输需求不太适合。因此，随着设备集成度的持续提高，市场迫切需要更高端散热技术的出现。

从理论上讲，要提升散热系统的对流冷却能力，一般可以从两个方面考虑：①设计合理的冷板结构，使其获得较好的热性能的同时流动阻力又在可以接受的范围；②采用具有良好热物性的冷却工质。对于前者，研究者们已经做出了大量的研究工作。而对于后者，人们一直苦于难以找到合适的冷却工质。(www.xing528.com)

室温液态金属冷却技术正是在此大背景下孕育而出。液态金属最突出的特点在于其固有的高导热特性。例如，常见液态金属热导率一般为 10～40 W/（m·K），比传统的冷却工质水高出 2个数量级。这一特性赋予了液态金属优异的对流换热能力，也使得其具有比水更好的对流冷却性能。采用液态金属取代传统的以水为代表的冷却工质打破了传统冷却技术的能力极限，同时也为其他能源领域的热量捕获与传输提供了新的思路。不仅如此，近年来，基于液态金属的高性能热界面材料、智能相变热控与储能材料及新型的液态金属双流体冷却系统等高端热管理技术也相继问世，不断刷新着人们对于液态金属这一全新的高性能热管理材料的认识，并引起了学术界和产业界的高度关注。一个越来越被接受的观点认为，液态金属冷却技术开启了下一代高性能冷却技术的新纪元。