基于流场调控的AI芯片冷板换热强化方案

01

技术背景

1.1

行业挑战：

电子元件热管理需求的持续升级

随着半导体技术的飞速发展，电子元件的集成度和运算能力呈指数级增长，随之而来的是发热量的急剧增加。现代工业过程、消费品、发电机、燃烧室、通信设备、电子元件以及电池等各类系统，都高度依赖有效的热传递来维持其在规定温度范围内的正常运行。对于电子设备而言，过热不仅会导致性能下降、寿命缩短，严重时甚至会引发设备故障和安全隐患。

传统的风冷技术虽然结构简单、成本低廉，但在面对日益增长的散热需求时逐渐显露出其固有的局限性。空气作为传热介质，其对流换热系数相对较低，难以满足高功率密度电子元件的散热要求。为了克服这一挑战，行业逐渐转向液体冷却和相变冷却技术。液体冷却利用水、乙二醇、聚乙二醇等液体作为传热介质，相比气体能够提供更高的对流换热速率。相变冷却则更进一步，利用工作流体从液态到气态的相变过程吸收大量潜热，在狭窄的温度范围内实现高效的热量传递。

然而，即使是先进的液体冷却和相变冷却系统，也面临着如何进一步提高换热效率的问题。特别是在微通道冷板技术中，如何在有限的空间内最大化传热速率，成为了行业研究的重点和难点。随着中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、神经网络处理器等高性能计算芯片的功率密度不断突破新高，对冷却系统的性能要求也达到了前所未有的高度。

1.2

现有技术痛点：

热边界层对换热效率的制约

传统的流体热交换器通常采用冷板结构，冷板上设有多个从基座延伸出的翅片(fins)，相邻翅片之间形成供工作流体流动的微通道(microchannels)。这些微通道通常具有均匀的高度，工作流体在通道内流动时，通过对流换热将冷板基座吸收的热量带走。

然而，这种均匀高度的微通道结构存在一个根本性的缺陷：在流体流动过程中，微通道壁面附近会逐渐形成一层热边界层(thermal boundary layer)。这层边界层内的流体温度接近壁面温度，流动速度也相对较低，形成了一个类似隔热层的区域，阻碍了热量从壁面向流体主体的传递。随着工作流体沿微通道长度方向深入，热边界层的厚度会逐渐增加，导致对流换热速率不断下降。

具体来说，在微通道入口区域，流体温度与壁面温度差异较大，换热效率较高。但随着流体向前流动，靠近壁面的流体不断被加热，温度逐渐升高，与壁面的温度差减小。当流体充分发展后，热边界层厚度达到稳定状态，此时的换热系数也降至最低。这种现象在高流速和小尺寸微通道中尤为明显，严重限制了传统冷板的散热能力。

为了解决这一问题，研究人员尝试了多种方法，如增加微通道的表面积、提高流体流速、采用特殊的翅片形状等。但这些方法往往伴随着压力损失增加、制造成本上升或系统体积增大等副作用，难以在性能和成本之间取得理想的平衡。

1.3

本方案目的：

通过流动操纵打破热边界层

本方案的核心目的在于提供一种改进的流体热交换器结构，通过主动操纵工作流体在微通道内的流动状态，有效打破和减薄热边界层，从而显著提高对流换热效率。与传统方法不同，本方案不依赖于增加换热面积或提高流体流速，而是通过改变微通道的几何形状和外壳的配合结构，在流体流动过程中诱导湍流和混合，实现更高效的热量传递。

02

核心结构组件描述

2.1

冷板基座

(Cold Plate Base)

冷板(110)是流体热交换器的核心组件，负责与发热电子元件直接接触并吸收热量。如图3所示，冷板(110)主要由基座板(214)和多个从基座板延伸出的翅片(222)组成。

图3.冷板轴测图

基座板(214)通常由铝、铜、不锈钢或其他高导热性材料制成，具有相对的两个侧面。第一侧(216)定义了热传递界面，用于与电子元件直接接触(可在中间添加热界面材料以提高导热效率)。第二侧(218)与第一侧相对，是翅片(222)的安装面。基座板的厚度和材料选择需要综合考虑导热性能、机械强度和制造成本等因素。

翅片(222)从基座板的第二侧(218)垂直向上延伸，相邻的翅片之间形成了多个微通道(326)，这些微通道沿第一轴线(224)方向延伸，如图4所示。翅片的高度、厚度和间距是影响微通道换热性能的关键参数，需要根据具体的应用需求进行优化设计。在传统设计中，所有翅片的高度都是均匀一致的，而本方案的创新之处就在于对翅片顶端轮廓的特殊设计。

图4.冷板一部分的侧视图

本方案的冷板(110)在一部分翅片(222)的顶端设置了多个缺口(notches)，这些缺口在相邻翅片上相互对齐，共同形成了一个或多个细长凹槽(228)，如图3和图5所示。这些细长凹槽(228)沿第二轴线(230)方向延伸，与微通道的第一轴线(224)呈角度偏置(angularly offset)。在图3所示的实施例中，第二轴线(230)与第一轴线(224)相互垂直，但其他角度的偏置也是可行的。

图5.沿图3中X-X线截取的

冷板横截面的前透视图

每个细长凹槽(228)由第一不连续壁(432)、第二不连续壁(434)和不连续基底(436)共同定义。之所以称为"不连续"，是因为这些壁面和基底并不是连续的平面，而是由多个相邻翅片顶端的缺口边缘拼接而成。在图5所示的优选实施例中，第一不连续壁(432)和第二不连续壁(434)并不平行，而是向不连续基底(436)方向收敛，使细长凹槽(228)具有大致梯形的横截面形状。这种梯形设计有助于引导流体流动，增强混合效果。

冷板(110)通常还包括一个中央细长凹槽(228C)，位于翅片阵列的中央位置。这个中央凹槽在结构上与其他细长凹槽类似，但在与外壳配合时会有特殊的处理，这将在后续章节中详细介绍。此外，不同的细长凹槽可以具有不同的尺寸参数，如不连续基底的宽度(440)、凹槽的深度(442)、相邻凹槽之间的距离(444)等，以实现对流体流动的精确控制和优化。

相邻的细长凹槽之间由翅片顶端未被切除的部分形成的桥接部(bridges)(446)隔开。这些桥接部(446)的宽度(448)和高度(450)也可以根据需要进行调整，不同的桥接部可以具有不同的尺寸，从而在冷板的不同区域产生不同的流动特性和换热效果。这种参数化的设计方法使得冷板的性能可以针对特定的应用场景进行定制化优化。

2.2

外壳(Housing)

外壳(160)是流体热交换器的另一个关键组件，它与冷板(110)密封连接，共同形成供工作流体流动的封闭通道。如图2和图6所示，外壳(160)主要由外壳体(568)构成，外壳体上定义了流体进口(564)、流体出口(566)以及多个配合凸起(570)。

图2.流体热交换器的轴测图，

该流体热交换器包括壳体和冷板

图6.壳体底部透视图

外壳(160)通常也由高导热性材料制成，如铝、铜或不锈钢，以进一步提高散热效果。外壳体(568)的外轮廓与冷板基座板(214)的外轮廓互补，使得两者能够密封地连接在一起，防止工作流体在流动过程中泄漏。连接方式通常采用螺栓紧固，通过穿过外壳上的安装孔(562)和冷板上的安装孔(212)的紧固件实现。

流体进口(564)和流体出口(566)用于将热交换器连接到外部冷却回路中。工作流体通过流体进口(564)进入热交换器，在微通道内流动并吸收热量后，通过流体出口(566)流出，进入散热器进行冷却。需要注意的是，流体进口和出口的定义是相对的，工作流体也可以反向流动，即从流体出口(566)进入，从流体进口(564)流出。

本方案的外壳(160)最显著的特征是其内表面上设置的多个配合凸起(570)，如图6所示。这些配合凸起(570)的形状和位置与冷板(110)上的细长凹槽(228)精确匹配，当外壳与冷板组装在一起时，配合凸起(570)会伸入到对应的细长凹槽(228)中。配合凸起的轮廓与翅片顶端的轮廓互补，形成类似齿轮啮合的配合关系。

这种配合设计具有两个重要作用：首先，它能够精确地定位外壳与冷板的相对位置，确保装配精度；其次，也是更重要的，它改变了微通道的局部高度，迫使流体在经过配合凸起下方时改变流动路径，从而产生湍流和混合效果。在图6所示的实施例中，配合凸起(570)具有与细长凹槽(228)相对应的梯形横截面形状，两端呈圆角过渡，以减少流体流动的阻力。

外壳体(568)还定义了一个中央空腔(572)，位于外壳的中央位置，与冷板上的中央细长凹槽(228C)相对应。中央空腔(572)与流体进口(564)相连通，工作流体从流体进口进入后，首先进入中央空腔，然后被分配到各个微通道中。与其他细长凹槽不同，中央细长凹槽(228C)上方并没有完整的配合凸起，而是在中央空腔(572)的周围设置了部分凸起(partial protrusions)(574)。

这些部分凸起(574)只部分伸入到中央细长凹槽(228C)中，而不是完全填满整个凹槽。在一个实施例中，部分凸起(574)的深度不到中央细长凹槽总深度的40%，甚至不到30%。部分凸起的作用是在流体从中央空腔进入微通道时产生初步的湍流和混合，为后续的换热过程做好准备。

外壳体(568)的边缘还定义了一个外围空腔(880)，与流体出口(566)相连通。工作流体在流经所有微通道后，汇集到外围空腔中，然后通过流体出口流出热交换器。这种中央进液、周边出液的流道设计，能够使流体在冷板上均匀分布，提高整体的换热均匀性。

值得强调的是，本方案的流体热交换器可以省略传统设计中位于外壳和冷板之间的中间板或垫片。通过外壳内表面与翅片顶端的直接配合，实现了对微通道的密封和导流，减少了零部件数量，降低了制造成本和装配复杂度，同时也提高了系统的可靠性。

03

工作原理与性能优势

3.1

流体流动的操纵：

湍流诱导与边界层破坏

本方案的流体热交换器通过独特的翅片-外壳配合结构，实现了对工作流体流动状态的精确操纵，从而有效打破了传统微通道中存在的热边界层问题。其工作原理可以从流体流动的微观过程和宏观效果两个层面来理解。

当工作流体从流体进口(564)进入热交换器后，首先流入中央空腔(572)，然后向下流动，经过部分凸起(574)进入中央细长凹槽(228C)。部分凸起(574)在这里起到了初步的湍流发生器作用，它们阻碍了流体的自由流动，使流体在进入微通道之前就产生了一定程度的扰动和混合。这有助于使进入各个微通道的流体温度更加均匀，为后续的高效换热奠定基础。

随后，流体进入由翅片(222)和外壳内表面共同定义的微通道(326)，并沿第一轴线(224)方向流动。在没有配合凸起的区域，微通道的高度等于翅片的高度，流体流动相对平稳。但当流体流经配合凸起(570)下方时，由于配合凸起伸入到细长凹槽(228)中，微通道的局部高度突然减小，迫使流体改变流动路径，从配合凸起下方的狭窄通道中通过。

这种通道截面的突然变化会产生显著的喷射效应(jet effect)，使流体的局部流速急剧增加。高速流动的流体冲击微通道的壁面和底部，产生强烈的湍流和漩涡。同时，配合凸起的存在还会在其下游区域形成流动分离和再循环区，进一步增强流体的混合效果。图9中的流线(878)清晰地展示了流体在微通道内的复杂流动状态，包括主流方向的流动、垂直于壁面的流动以及局部的循环流动。

图9.图5所示横截面的正视图

这种复杂的流动状态对换热过程产生了极其有利的影响。在传统的均匀高度微通道中，流体流动通常处于层流状态，热边界层会随着流动距离的增加而逐渐增厚，导致换热效率下降。而在本方案的结构中，配合凸起周期性地打断了层流流动的发展，不断地破坏和重建热边界层。

具体来说，湍流和混合作用将靠近壁面的、已经被加热(或冷却)的流体粒子扫离壁面，并用来自流体主体的、温度差异较大的流体粒子替代。这种平流(advection)过程在壁面附近维持了较大的温度梯度，从而显著提高了局部的对流换热系数。即使在微通道的下游区域，由于配合凸起的持续作用，热边界层也无法充分发展，始终保持在较薄的状态。

此外，配合凸起与翅片顶端的紧密配合还消除了流体在微通道上方的旁路流动，确保所有工作流体都必须流经微通道的底部区域，与冷板基座充分接触。这进一步提高了流体的利用率和整体换热效率。

04

系统集成与应用场景

4.1

冷却回路集成：

闭环液体冷却系统

本方案的流体热交换器通常作为闭环液体冷却系统的核心组件使用。如图1所示，一个典型的闭环液体冷却系统(100)主要由三个部分组成：流体热交换器(110)、液泵(Liquid Pump)和热散热器(Heat Radiator)(120)。这三个部件通过管路连接，形成一个封闭的循环回路，工作流体在回路中循环流动，实现热量的传递和散发。

图1.一种闭式液体冷却回路

系统的工作过程如下：首先，冷板(110)与发热电子元件紧密接触，吸收电子元件产生的热量。工作流体(通常是水或乙二醇水溶液)在液泵的驱动下，以一定的压力和流量进入冷板(110)的流体进口(564)。在冷板内部，流体流经微通道(326)，通过对流换热将冷板吸收的热量带走，使自身温度升高。升温后的工作流体从冷板的流体出口(566)流出，通过管路进入热散热器(120)。

热散热器(120)的作用是将工作流体携带的热量散发到周围环境中。根据散热介质的不同，热散热器可以分为液-气散热器和液-液散热器两种类型。液-气散热器通过风扇强制空气流过散热器的翅片，将热量传递给空气；液-液散热器则将热量传递给另一种温度更低的液体，如冷却水。在大多数电子设备冷却应用中，通常采用液-气散热器。

经过热散热器冷却后的工作流体温度降低，然后在液泵的驱动下再次流入冷板(110)，开始下一个循环。通过这种连续的循环过程，电子元件产生的热量被不断地传递和散发，从而将电子元件的温度维持在安全的工作范围内。

本方案的流体热交换器在这个闭环系统中扮演着 "吸热器" 的关键角色。其高效的换热性能能够在较小的温差下将大量热量从电子元件传递给工作流体，从而降低电子元件的工作温度。同时，其紧凑的结构设计使得整个冷却系统可以做得更加小巧，适应各种空间受限的应用场景。

在系统集成时，需要根据电子元件的热功耗、允许的最高工作温度以及环境条件等因素，合理选择冷板的尺寸、工作流体的流量和温度、散热器的散热能力以及液泵的扬程和流量等参数。本方案的冷板由于其优异的换热性能，可以在相同的散热需求下，降低对散热器和液泵的要求，从而进一步降低整个冷却系统的成本、体积和功耗。

来源：公开信息，要点AI整理

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