ECM：通過多孔涂層平板熱管實現每個芯片超過1000 W的被動兩相浸沒冷卻

論文信息：

Junzhao Lu , Yu Ma , Haojie Zhou , Ji Li ,Passive two-phase immersion cooling achieving over 1000 W per chip via porous coated flat plate heat pipes,Energy Conversion and Management 353 (2026) 121237

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.121237

Part.1

研究背景

隨著科技的飛速發展，人工智能的全球研究與應用邁入前所未有的階段。這一爆發式增長直接推動了算力需求的指數級攀升，也導致數據中心的能耗需求急劇增加。在這一嚴峻的能源挑戰中，熱管理問題尤為突出。目前，數據中心約 40% 的能耗用于冷卻系統，同時芯片等核心發熱部件的功率密度持續攀升。傳統空冷方案因散熱量有限、能耗高、噪音大等問題，已難以滿足需求。在此背景下，兩相浸沒冷卻憑借換熱效率高、運行無噪音、有望降低數據中心能源使用效率值等優勢，被公認為下一代數據中心冷卻的主流技術之一。兩相浸沒冷卻的核心局限性在于，其總換熱能力受芯片有限的表面積嚴格制約。現有研究雖圍繞沸騰表面強化開展了大量工作，但針對集成均熱件的系統級兩相浸沒冷卻的綜合實驗研究仍較為匱乏。

本研究提出并實驗驗證了一種融合表面沸騰強化、均熱與浸沒冷卻的混合熱管理方案，核心為一款完全浸沒在介電流體中的平板熱管，其外表面燒結有專門設計的強化沸騰微結構。與現有研究中汽液流動路徑相互交織的傳統毛細結構不同，本研究采用新型芯體結構，為汽、液兩相構建相互獨立的專屬傳輸通道。實驗結果表明，該系統在結溫低于 85℃的前提下，實現了 1200 W的穩定散熱量，對應有效熱流密度高達 106.4 W / cm2，性能顯著優于現有浸沒冷卻和平板熱管相關文獻報道的水平。

Part.2

研究內容

本研究設計的集成強化沸騰表面平板熱管均熱件的整體結構如圖 1 所示，器件主要由五個核心部件組成，從上至下依次為：上層強化沸騰表面、上層銅板、內部毛細芯結構、下層銅板和下層強化沸騰表面，各部件的精確厚度詳見圖 1 (b)。

圖 1 平板熱管的詳細結構：(a) 整體示意圖；(b) 組成結構；(c) 各部件厚度；(d) 實物圖

圖 2 (a) 和圖 2 (b) 展示了平板熱管的整體外部尺寸及外部強化表面的微觀形貌。上層銅板尺寸（103 毫米 ×84 毫米）略大于下層銅板，該尺寸設計為后續的釬焊密封工藝預留操作間隙，保證焊接可靠性，同時防止焊料滲入平板熱管內部。

圖 2 FPHP的具體尺寸以及增強表面和燈芯的掃描電子顯微鏡圖像：（a）FPHP的尺寸及其增強表面的掃描電子顯微鏡圖像，顯示80-mesh/250-mesh復合金屬絲網的側面和前視圖;（b）FPHP的內部尺寸和燈芯的掃描電子顯微鏡圖像。

為量化驗證該結構的性能，本研究對三種沸騰表面開展對比實驗，所有測試表面均為 10 毫米半徑的圓形試樣：(a) 粗糙度 0.8 微米的光滑銅表面；(b) 單一 250 目銅網制備的強化表面；(c) 80 目與 250 目銅網復合的雙層梯度結構表面。為保證實驗結果對最終器件的代表性，復合結構試樣采用與平板熱管強化表面相同的燒結銅網母材制備。池沸騰實驗裝置如圖 3 (a) 所示，實驗結果（圖 3 (b)、圖 3 (c)）證實了梯度結構的優越性。

圖 3 (a) 池沸騰實驗裝置實物圖；(b) 不同表面熱流密度隨過熱度的變化規律；(c) 不同表面換熱系數隨熱流密度的變化規律

本研究的實驗系統如圖 4 所示，旨在精準評估集成沸騰強化表面的平板熱管在兩相浸沒冷卻環境中的換熱性能。整套裝置主要由七個子系統組成：(1) 測試核心 —— 平板熱管；(2) 模擬芯片熱源的主加熱模塊；(3) 帶輔助加熱器、用于維持工質飽和溫度的測試腔體；(4) 冷卻冷凝系統；(5) 供電系統；(6) 數據采集系統。

圖 4 實驗裝置：(a) 示意圖；(b) 實物圖

加熱模塊的安裝方式如圖 5 (a) 所示，其主體嵌入腔體基座，在腔體內露出 47 毫米 ×24 毫米的加熱表面，與平板熱管底部凸臺尺寸完美匹配。實驗數據采集與監測系統由安捷倫 34970A 數據采集儀、高速攝像機、上位機和十三支標定后的 T 型熱電偶組成，熱電偶在實驗裝置中的布置如圖 5 (b) 所示，所有熱電偶的安裝位置公差為 ±1 毫米。

圖 5 （a）加熱模塊和FPHP;（b）FPHP上T型熱電偶的位置

實驗開始前，向測試腔體中充入 HFE-7100 氟化液，保證液面相完全浸沒平板熱管。選擇 HFE-7100 作為兩相冷卻工質。由交流電源調節主加熱模塊的輸入功率，模擬芯片在不同工況下的發熱量。實驗采用階梯式施加熱負荷的方案：從 200 瓦開始，保持功率恒定直至系統達到熱穩態，隨后記錄數據；重復上述過程，每一步功率提升 200 瓦。

圖 6 測試程序示意圖

圖 7 展示了不同工作溫度下，熱管在重力有利和重力不利工況下的最大傳熱量，以及不同功率輸入下的壓力平衡關系。結果表明，在 1200 瓦的實驗最大熱負荷下，總壓降仍遠低于毛細極限閾值。

圖 7 (a) 不同工作溫度下的最大傳熱量；(b) 平板熱管內的壓力平衡關系（工作溫度為近壁溫度，充液率 35%）

圖 8 展示了充液率 30% 的平板熱管在實驗過程中，結溫、近壁溫度、遠壁溫度和液池溫度隨時間的變化規律，以及其主要散熱表面的對應可視化圖像。在功率從 200 瓦升至 400 瓦的過程中，平板熱管出現局部燒干現象。由圖 8 可見，當功率切換至 400 瓦時，結溫呈現快速上升、短暫平穩、隨后緩慢升高的變化過程，整個系統耗時約 30 分鐘達到新的熱平衡。

圖 8 平板熱管充液率 30% 時的實驗結果：(a) 實測數據隨時間的變化規律；(b) 高速攝像機捕捉的不同加熱功率下的沸騰變化（紅框為加熱凸臺在表面的投影區域）

與 30% 充液率不同，35% 充液率的平板熱管在整個測試功率范圍內均未出現燒干現象（圖 9）。在該工況下，內部工質的高效相變循環與外部強化表面的強冷凝能力達到了最優的協同狀態，系統實現 1200 瓦散熱量的同時，結溫穩定在 84.8℃。

圖 9 平板熱管充液率 35% 時的實驗結果：(a) 實測數據隨時間的變化規律；(b) 高速攝像機捕捉的不同加熱功率下的沸騰變化（紅框為加熱凸臺在表面的投影區域）

當充液率提升至 40% 時（圖 10），系統的換熱性能反而惡化，在所有測試工況中表現最差，其根本原因是充液過量。過量的液態工質不僅使毛細芯達到飽和，還在蒸汽通道內積聚形成液塞，嚴重阻礙蒸汽的傳輸路徑，導致蒸發熱阻急劇升高，熱量無法有效傳遞至遠端的冷凝表面。

圖 10 平板熱管充液率 40% 時的實驗結果：(a) 實測數據隨時間的變化規律；(b) 高速攝像機捕捉的不同加熱功率下的沸騰變化（紅框為加熱凸臺在表面的投影區域）

圖 11 為作為基準樣件的實心銅塊的測試結果，該銅塊與平板熱管具有相同的外部尺寸和強化表面。由于銅塊內部僅依靠熱傳導實現熱量傳遞，其均熱能力有限：在較低加熱功率下，銅塊仍能將熱量有效傳遞至表面，維持相對較低的結溫；但當加熱功率升至 800 瓦時，結溫迅速攀升，超過 85℃的安全閾值。

圖 11 實心銅塊的實驗結果：(a) 實測數據隨時間的變化規律；(b) 高速攝像機捕捉的不同加熱功率下的沸騰變化（紅框為加熱凸臺在表面的投影區域）

圖 12 從另一角度展示了結溫隨功率的變化關系：在中低功率范圍（≤800 瓦）內，30% 充液率的平板熱管在結溫控制方面表現最優；但當功率超過 800 瓦后，35% 充液率的平板熱管憑借無燒干的穩定循環，展現出最優性能，其結溫上升速率甚至有所減緩，并最終實現了最高的散熱性能。這一結果揭示了不同充液率在不同運行區間的性能交叉現象，進一步證實 35% 充液率是綜合最優的設計點。

圖 12 不同加熱功率下的結溫變化

圖 13 對比了各工況下結溫為 85℃時的最大散熱功率：35% 充液率的平板熱管表現最佳，達到 1225.2 瓦，為同規格實心銅塊（682 瓦）的 179.6%；30% 充液率的平板熱管次之，實現 987.4 瓦的散熱量；而 40% 充液率的平板熱管因蒸發熱阻過大，性能甚至劣于實心銅塊，僅為 547.4 瓦（為銅塊性能的 80.3%）。

圖 13 結溫 85℃時的最大散熱能力

熱量的傳遞路徑為：從加熱塊表面出發，經焊料層、平板熱管外殼，通過內部蒸發和蒸汽流動傳遞至冷凝壁面，最終通過外部強化表面散入介電流體。圖 14 展示了熱阻隨功率的變化規律，總熱阻可沿傳熱路徑分解為傳導熱阻、均熱熱阻和沸騰熱阻三部分。其中，傳導熱阻綜合了加熱器接觸界面、外殼傳導等環節的熱阻，是總熱阻的主要組成部分。

圖 14 (a) 不同加熱功率下的各分項熱阻；(b) 不同加熱功率下的總熱阻

盡管本研究提出的混合結構展現出優異的熱性能，但其實際工程應用仍需考慮以下關鍵因素：1.集成性與可擴展性；2.工質穩定性與環境影響；3.經濟性與長期可靠性（如圖15所示）。

圖15 (a)額外測試期間結溫和TI隨時間的變化;（b）初始實驗（第0個月，35%填充率）和額外實驗（第6個月，33%填充率）之間結溫的比較

Part.3

研究總結

本研究研發并驗證了融合兩相浸沒冷卻、微結構沸騰強化表面與平板熱管均熱件的混合熱管理結構，經與實心銅塊對比，證實其在高功率密度熱管理中優勢顯著。該集成結構在35%最優充液率下，以HFE-7100為工質，從47mm×24mm熱源實現1200W被動散熱量（熱流密度106.4W/cm2），芯片結溫穩定在84.8℃，總熱阻低至0.02137K/W；80/250目雙層梯度銅網強化表面的臨界熱流密度和換熱系數較光滑銅表面分別提升103.7%、187.0%，其優勢源于細網與粗網的毛細抽吸和蒸汽排出協同作用；新型平板熱管也憑借高效相變換熱實現了遠優于純銅的溫度均勻性，能均勻擴散集中熱源熱量，充分激活外部強化沸騰表面。該研究驗證了該集成冷卻方案的高效與可靠性，也為相關技術發展提供了理論和實驗支撐。

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