转自能源学人
近日，上海交通大学机械与动力工程学院王如竹ITEWA创新团队在Cell姊妹刊Device上发表了题为“Passive thermal management of electronic devices”的展望论文。该论文系统地探讨了电子设备热管理技术的分类、评价指标及其典型应用场景，深入分析了基于软件（如温度控制算法设计）和硬件（如基于吸附贮湿的发汗冷却、辐射制冷和相变材料）的先进被动热管理技术关键挑战和发展方向，为构建“软硬兼施”的综合热管理方案奠定基础。上海交通大学-南洋理工大学联培博士生刘浩然为论文第一作者，上海交通大学王如竹教授为通讯作者。随着人工智能等技术的高速发展，电子设备正在深刻地改变人们的生活方式。电子设备在运行过程中将会产生大量废热，若不能及时散出则会对设备性能、可靠性和使用寿命等造成不利影响。因此，散热已经成为制约电子设备发展的最主要的瓶颈。依据传热学原理，电子设备硬件热管理技术可分为热传导（如热界面材料）、闭式冷却（通过循环介质在设备内部强化传热，如热管、微通道、浸没冷却等）、开式冷却（将热量散发到周围环境中，如自然对流、辐射等）、外加冷源（如热电制冷）和热储能（如相变材料）等方式，如图1所示。良好的热设计需要不同热管理技术的综合应用，因此明确不同热管理技术的基本原理、评价指标和适用场景将有助于优化设计方案，满足设备在不同使用场景下的散热要求。由于硬件散热能力可能无法完全满足现代电子设备日益增长的散热需求，在设备运行过程中，受许用功耗和温度等热约束的限制，通常只有一部分芯片（或晶体管）可以开启，而其余部分则需保持关闭或休眠状态，这就是著名的“暗硅”现象(Dark silicon)。这种长期部分负荷的运行状态为电子设备温度控制提出了更高的要求，过高或过低的被控变量输出都将影响设备的在线运行性能。因此，先进温度控制算法，如模型预测控制和强化学习等的应用有望在不改变硬件热设计的前提下提高设备性能，充分发挥已有散热能力。此外，温度控制算法的设计通常依赖设备的热模型，而设备热模型的构建涵盖多种技术路径，如图2所示。为提升软件热设计效率，能够快速计算设备关键节点温度的简化热模型构建方法也是电子设备软件热管理技术的重要组成部分。被动散热技术无需额外能源输入即可实现高效散热，因此在注重电池续航的移动终端设备（如智能手机等）中具有重要应用价值。在设备与环境的边界，传统被动散热技术主要依赖于基于温差的对流散热，而基于吸附贮湿的发汗冷却技术可利用环境湿度实现额外的冷却功率。类似哺乳动物通过汗液蒸发实现自身散热，该方法在设备表面涂覆一层吸附剂材料，当设备高负荷运行时，吸附剂涂层在高温下发生水分解吸，并带走一部分热量。而当设备低负荷运行时，吸附剂涂层可自发地从周围环境中吸附水分子，实现再生过程，其工作原理和应用如图3所示。该技术为电子设备被动散热提供了全新的解决方案，有望打破原有温差驱动散热技术的散热瓶颈。图3 基于吸附贮湿的发汗冷却技术在电子设备中的应用辐射制冷技术以外太空（约3 K）为冷源，为电子设备的被动散热提供了一种全新的技术路径。该方法通过调节设备表面随波长的辐射特性，通过特定的表面结构设计，高效向外辐射热量，并避免吸收外界热辐射，如图4所示。与传统建筑等应用中可能遇到的冬季制冷问题不同，电子设备持续不断的冷负荷与辐射制冷技术制冷特性匹配。同时，辐射制冷有望与发汗冷却结合使用，取长补短，提高综合热管理性能。考虑到电子设备通常运行于瞬态热负荷下，热储能技术（如相变材料，PCMs）的应用能够有效提高温度的时空均匀性，降低热点温度。相变材料在电子设备热管理中的主要应用瓶颈为其较低的热导率，因此可从材料性能和散热器结构两个角度优化设计，如图5所示。此外，相变材料也可以与其他被动热管理技术（如发汗冷却和辐射制冷技术）相结合，实现更好的被动热管理性能。散热对电子设备的性能和可靠性至关重要。本文系统性梳理了电子设备的多种热管理技术，包括热传导、闭式冷却、开式冷却、外加冷源及热储能等，并分析了它们的适用场景和评价指标。良好的热设计不仅需要综合运用不同的硬件散热技术，还应结合设备特点，设计合理的温控算法，以实现高效的热管理。本文进一步探讨了4种被动热管理方案，包括温控算法设计、发汗冷却、辐射制冷和热储能，并针对各自的技术特点分析了不同技术所面临的挑战和潜在解决方案。此外，本文讨论的被动散热技术有望适用于电池、太阳能光伏板等其他设备，如图6所示。这类设备与电子设备具备相似的传热特性，即设备内部主要依靠导热，而在表面则依赖辐射和对流散热。因此，电子设备的热管理研究可为其他设备提供参考，进而推动多领域热管理技术的共同进步。第一作者—刘浩然 上海交通大学博士，导师为王如竹教授，现为清华大学车辆与运载学院博士后。主要从事电子设备热管理、热模型与温控算法的相关研究，以第一作者在Device、Materials Today Nano、Energy等期刊发表论文。共同作者—杨纯 南洋理工大学机械与宇航工程学院终身教授、热流工程学科带头人、美国机械工程师学会会士(ASME Fellow)、亚洲热科学联合会会士，在知名国际期刊发表论文260余篇，担任多个SCI期刊的编辑/顾问委员会成员。曾担任第五届ASME微/纳尺度传热传质国际会议主席、第二届微流体和纳米流体技术进展会议暨亚太地区芯片实验室国际研讨会主席。通讯作者—王如竹 上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授，全球高被引学者、国家基金委创新群体负责人、国家基金委重大项目负责人，入选多项国家级人才，是国家级教学名师和全国先进工作者。主持完成的科研成果荣获2010国家技术发明二等奖、2014国家自然科学二等奖、2023国家科技进步二等奖，个人获2022何梁何利基金科学与技术创新奖等奖励；因在国际能源及热科学与制冷相关领域的突出贡献，荣获2013英国制冷学会J&E Hall金牌、2018日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖、2019国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen Medal、2021国际能源署Rittinger国际热泵奖、2023全球能源奖(Global Energy Prize)。王如竹教授现任Energy主编。王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近5年来在Science, Nature Reviews Materials, Nature Water, Nature Communications, Joule, Energy and Environmental Sciences, Advanced Materials等高水平期刊上发表一系列跨学科交叉论文。https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100684
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