中國科學院大學李驥ECM: 用于嚴苛環境下高功率芯片冷卻的熱管-熱電模塊集成系統

論文信息：

Haojie Zhou, Ji Li, An energy-efficient gravity-insensitive loop heat pipe integrated with thermoelectric module for cooling high power mobile electronic chips in harsh environment, in Energy Conversion and Management 346: 120434, (2025)

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120434

Part.1 研究背景

隨著AI技術的高速發展，智能設備如機器人、無人機與智能電動車等對AI晶片的計算能力需求急劇上升，使晶片功耗與散熱需求顯著增加，高達500W以上。同時，這些移動設備需在多姿態與高溫環境下穩定運行，對散熱系統提出“與重力無關”且高可靠的要求。現有液冷或傳統LHP雖具較高散熱性能，但在反重力狀態下穩定性不足，難以滿足高功率晶片的散熱需求。因此，開發一種高功率、重力無關且能高效空氣冷卻的環路熱管系統，成為AI晶片熱管理領域的重要研究方向。

Part.2 研究內容

本文針對高功率AI晶片在多姿態及高溫環境下的散熱難題，提出并實驗驗證了一種整合熱電制冷器（TEC）的環路熱管（LHP）系統。研究首先基于對現有文獻的分析，指出傳統LHP在反重力方向下液體回流受限、補償腔溫度與壓力過高，從而導致散熱性能下降。為此，本文在LHP補償腔中引入TEC，以主動降低腔體溫度與內部壓力，增強液體回流能力，即使在反重力狀態下也能維持穩定循環。隨后，通過一系列實驗對該復合系統在不同安裝方向與環境溫度下的熱性能進行系統測試，并與傳統LHP進行對比。結果驗證了該設計能在低能耗條件下顯著提升LHP的抗重力散熱能力，為移動智能設備中高功率AI晶片提供了一種高效、穩定且能量利用率高的熱管理方案。

圖1. 移動智能設備與AI晶片散熱方式

在研究中通過在補償腔外安裝TEC模塊并施加導熱硅脂，TEC主動冷卻可有效降低補償腔溫度與壓力，從而促進液體回流、抑制熱泄漏。系統采用純銅材料與翅片管式冷凝器以提升導熱性能。蒸發器部分設計了三層復合毛細芯結構（主毛細芯、增強毛細層及輔助毛細芯），以增強毛細驅動力并確保在不同方向下穩定液體循環。整體結構與制造工藝的優化為LHP在反重力及高功率散熱應用中提供了新思路與技術基礎。

圖2. 新型環路熱管（LHP）的結構細節：(a)無熱電制冷（TEC）輔助的LHP結構；(b)帶有TEC輔助的LHP結構；(c)TEC系統的安裝細節

圖3. 新型環路熱管蒸發器的內部結構照片

圖4. 蒸發器的主要制造工藝過程

研究中主要介紹了新型環路熱管（LHP）的實驗方法與測試流程。研究者搭建了一套包含加熱系統、冷卻系統及數據采集系統的實驗平臺，用于評估LHP在不同姿態（順重力、水平、逆重力）下的熱性能。加熱模塊用于模擬芯片發熱，冷卻系統則包括風扇與熱電制冷器（TEC），并通過多點熱電偶與紅外熱像儀實時監測溫度分布。實驗在逐步增加熱負載的條件下進行，且針對帶有和不帶TEC輔助的LHP進行了對比測試，以研究TEC功率及安裝方向對系統傳熱性能的影響。同時，通過計算總熱阻、蒸發器熱阻、LHP熱阻以及性能系數（COP），并結合誤差分析，評估了實驗測量的可靠性和精確性，從而驗證了該耦合系統的綜合散熱性能。

圖5. 新型環路熱管性能測試的實驗裝置

圖6. 溫度測量點分布示意圖

圖7. 無TEC輔助的實驗安裝方向：(a)90°；(b)0°；(c)?90°

圖8. 帶TEC輔助的實驗安裝方向：(a)90°；(b)0°；(c)?90°

在研究中通過理論分析建立了新型LHP的熱力學模型，考慮了蒸發器能量平衡、總熱泄漏及TEC輔助情況下的附加熱泄漏，并結合蒸發器和冷凝器的壁熱阻及蒸汽壓力降，計算系統穩態溫度分布。研究采用迭代方法，通過實驗測得的出口溫度和傳熱參數不斷更新核心溫度和熱泄漏，最終得到穩態傳熱系數和蒸發器溫度，為預測和優化LHP在不同姿態及TEC功率下的熱性能提供了理論基礎。

研究了無TEC輔助情況下，LHP在重力輔助、水平和反重力三種方向下的傳熱性能，通過實驗測定了結點溫度、總熱阻、蒸發器熱阻和蒸汽輸送距離等參數。同時，通過理論分析計算了傳熱系數和蒸發器溫度，并將理論結果與實驗值進行對比。研究揭示了極端方向下液體回流困難對LHP熱性能的影響，以及熱負荷增加對蒸汽輸送、液柱長度和相變溫度的作用規律，為后續TEC輔助LHP的優化提供了基礎數據和參考。

圖9. 無TEC輔助情況下LHP在不同方向的性能：(a)結點溫度 (Tj)；(b)總熱阻 (Rtotal)；(c)LHP熱阻 (RLHP)；(d)蒸發器熱阻 (Re)

圖10. 無TEC輔助情況下LHP在不同方向的穩態溫度分布：(a)90°；(b)0°；(c)?90°

圖11. 無TEC輔助情況下LHP在不同方向的理論分析結果：(a)換熱系數；(b)蒸發器溫度

研究了在不同放置方向（重力輔助、水平、反重力）下，熱電制冷器（TEC）輔助對環路熱管（LHP）傳熱性能的影響。結果表明，隨著TEC電壓的提高，LHP的結溫和總熱阻顯著降低，最大承熱能力在各方向均明顯增強，其中重力輔助下提升55–108W，水平提升125–145W，反重力提升364–474W。TEC冷卻通過降低補償腔溫度和壓力，增大系統驅動力，促進液體快速回流，從而改善傳熱性能并加速LHP循環啟動。理論分析與實驗結果吻合良好，驗證了TEC可有效強化LHP的啟動與穩態散熱性能，尤其在不利放置方向（如反重力）下，其增強作用更為顯著。

圖12. 在重力輔助方向下，帶有TEC輔助的LHP性能：(a)結溫（Tj）；(b)總熱阻（Rtotal）；(c)環路熱管熱阻（RLHP）；(d)蒸發器熱阻（Re）；(e)TEC功耗；(f)性能系數（COP）

圖13. 在重力輔助方向下，帶有TEC輔助的LHP穩態溫度分布：(a)TEC電壓 UTEC=3V；(b)TEC電壓 UTEC=9V

圖14. 在水平方向下，帶有TEC輔助的LHP性能：(a)結溫（Tj）；(b)總熱阻（Rtotal）；(c)環路熱管熱阻（RLHP）；(d)蒸發器熱阻（Re）；(e)TEC功耗；(f)性能系數（COP）

圖15. 在水平方向下，帶有TEC輔助的LHP穩態溫度分布：(a)TEC電壓UTEC=3V；(b)TEC電壓UTEC=9V

圖16. 在反重力方向下，帶有TEC輔助的LHP性能：(a)結溫（Tj）；(b)總熱阻（Rtotal）；(c)環路熱管熱阻（RLHP）；(d)蒸發器熱阻（Re）；(e)TEC功耗；(f)性能系數（COP）

圖17. 在反重力方向下，帶有TEC輔助的LHP穩態溫度分布：(a)TEC電壓UTEC=3V；(b)TEC電壓UTEC=9V

圖18. 帶有和不帶有TEC時LHP性能的對比：(a)結溫；(b)總熱阻

圖19. 在不同放置方向下（UTEC=9V），帶有TEC輔助的LHP理論分析結果：(a)傳熱系數；(b)蒸發器溫度

通過平均絕對誤差（MAE）方法系統分析了帶有TEC輔助的環路熱管（LHP）在不同放置方向下的重力不敏感性。結果表明，隨著TEC電壓升高，LHP在重力輔助、水平與反重力方向下的性能差異顯著減小。在3V時，結溫與總熱阻的平均差異分別為5.6 °C與0.021 K/W，而在9V時分別降至2.9 °C與0.013 K/W。尤其在9V時，重力輔助與水平放置下性能幾乎一致，而反重力方向的性能差距也顯著縮小。這表明TEC冷卻有效減弱了重力對工質回流與傳熱性能的影響，使LHP實現了近乎“重力無關”的穩定運行特性。

圖 20. 在 TEC 輔助下新型環路熱管（LHP）性能的重力不敏感性分析：(a)節點溫度（Tj）；(b)總熱阻（Rtotal）；(c)節點溫度的平均差異；(d)總熱阻的平均差異

研究了環境溫度對帶有TEC輔助的新型LHP 性能的影響。實驗結果表明，當環境溫度從25 °C 升高至45 °C 時，系統的最大熱負載略有下降（低于 27.3%），但總體散熱性能仍保持良好。同時，隨著環境溫度升高，LHP對重力方向的敏感性顯著降低，結溫和總熱阻的方向差異趨于減小。這主要源于高溫下工質粘度降低和壓力-溫度梯度增強所帶來的流動與傳熱改善。盡管高溫會導致COP降低，但LHP系統仍展現出遠優于傳統制冷系統的能效水平。

圖21. 在不同環境溫度與放置方向下（UTEC=3V）帶有TEC輔助的LHP性能表現：(a)結溫 (Tj)；(b)總熱阻 (Rtotal)；(c)性能系數 (COP)

本文提出了未來LHP系統的優化方向。研究指出，不同放置方向下的LHP存在最佳充液率差異，應針對各方向進行獨立優化。同時，蒸發器可通過減小毛細芯孔徑或設計梯度結構來增強毛細力，冷凝器可通過減少管路彎折來降低阻力。在應用方面，未來還需考慮不同芯片尺寸對散熱性能的影響。此外，由于TEC模塊的引入增加了系統功耗，后續研究應重點優化冷凝器與TEC結構以實現低能耗與高性能的平衡，從而提升系統在電子設備散熱中的整體能效。

Part.3 總結與展望

本文針對傳統環路熱管（LHP）在不同放置方向下性能易受重力影響的問題，提出了一種集成熱電制冷器（TEC）的新型LHP系統。通過實驗與理論分析，結果表明TEC輔助顯著降低了結溫與總熱阻，提升了系統的最大散熱能力，尤其在反重力方向下表現出優異的穩定性和重力不敏感特性。此外，研究還探討了環境溫度對性能的影響，發現該系統在高溫環境下依然保持高效的傳熱能力與能效比（COP）。展望未來，作者建議針對不同方向優化充液率與結構設計，改進毛細芯和冷凝器布局以降低流阻，并在保證性能的前提下進一步降低功耗，從而為高熱流密度電子器件（如AI芯片）提供更加高效、節能且方向無關的散熱解決方案。

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