单相冷却和两相冷却
主要通过冷却液体在封闭循环系统中以液态形式流动，依靠液体的热传导和对流来吸收热量，将被冷却对象的热量传递到热交换器等装置，再通过外部散热手段将热量散发出去。整个过程中冷却液体始终保持液态，不发生相变。
利用工作流体在气液两相之间的相变来实现热传递。当工作流体吸收热量后，从液态转变为气态，这个汽化过程会吸收大量潜热，有效带走热量。气态的工作流体被输送到冷却装置后，通过散热重新变为液态，然后再循环回到需要冷却的部位继续吸热。
液体的热容量和热导率相对较高，能够实现较好的散热效果，但由于始终以液态进行热传递，散热效率相对低于两相冷却。对于一些中等功率密度的设备散热较为有效，但在面对极高功率密度的散热需求时可能会显得力不从心。
由于利用了相变潜热，散热效率非常高。在相同的体积和流量下，能够带走更多的热量，特别适用于高功率密度的设备散热需求。
液体能够较为均匀地分布热量，使被冷却设备的温度相对较为均匀。但在某些复杂结构的设备中，可能会存在局部温度差异。对于温度均匀性要求不是特别苛刻的应用场景，单相间接液冷通常能够满足需求。
工作流体在相变过程中能够快速且均匀地分布热量，使得被冷却物体的温度更加均匀，能有效减少局部热点的产生。对于那些对温度均匀性要求极高的设备，如高精度电子元件、航空航天设备等，两相冷却具有明显优势。
系统相对较为简单，通常由冷却液体循环泵、热交换器、管道等组成。维护和管理相对容易，成本也相对较低。
系统较为复杂，需要精确控制工作流体的相变过程，包括压力、温度等参数。还需要配备专门的冷却装置来实现气态工作流体的冷凝，这增加了系统的复杂性和成本。同时，对系统的设计和调试要求也更高。
适用于中等功率密度的电子设备、工业设备等。例如，一些服务器、通信设备等可以采用单相间接液冷进行散热。对于对散热要求不是特别极端，但又需要比传统空气冷却更好效果的场景较为合适。
主要应用于高功率密度的设备，如高性能计算机芯片、航空航天电子设备、新能源汽车的电池组等高精尖领域。在空间有限且对散热效率要求极高的场合，两相冷却能够发挥出最大优势。
02
相变冷却原理
相变冷却是一种利用物质在相变过程中吸收或释放热量的原理来实现冷却效果的技术。相变是指物质从一种相态（如固态、液态、气态）转变为另一种相态的过程。在相变过程中，物质会吸收或释放大量的潜热，这种潜热的变化是相变冷却技术的基础。
显热是指物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。例如，在常压下，将水从20℃加热到80℃所吸收的热量，就叫显热。
其中Q是热量，m是质量，c是比热容，t₂和t₁分别是过程结束和开始的温度。
潜热，也称为相变潜热，是指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。例如，当物质从固态转变为液态时，吸收的能量称为熔解热；从液态转变为气态时，吸收的能量称为汽化热。潜热与相变过程中的温度保持不变有关，在相变过程中，温度不变是因为吸收的热量用于打破物质之间的分子吸引力，而不是提高温度。
在通常情况下，潜热的传热系数会比显热的传热系数大，这是因为潜热涉及到相变过程，这些过程通常伴随着较大的热容量变化，而且在相变过程中，物质吸收的热量主要用于打破分子间的吸引力，这需要更多的能量。此外，相变过程如沸腾或凝结，由于涉及到表面张力的克服和新相的形成，通常具有较高的传热效率。因此，在设计热交换器或其他热管理系统时，潜热和显热的不同特性需要被仔细考虑，以确保系统能够有效地进行热量交换。而相变冷却技术正是利用潜热传热系数高以及整个相变过程温度保持不变的特点，使得其可以在相对较高的热通量的情况下保持散热器件温度的稳定，极大的满足了电子设备器件对于散热的要求。
由于相变冷却技术需要利用物质的相态转变，而两种相态在系统中混合，因此往往在系统中表现为两相流的形式。
通常根据构成系统的相态分为气-液系、液-液系、液-固系、气-固系等。气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-气体系统。固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。
两相流的流动形态多样，除了可以区分为层流和湍流外，还可以根据两相相对含量（相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件等因素进行分类。例如，在管内气液系统中，随两相速度的变化，可以产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等不同的流动形态。这些不同的流动形态对热量传递和质量传递的机理和影响因素也有所不同。
03
微通道两相液冷技术
微通道冷却技术利用微小尺寸的通道来增强流体与被冷却物体之间的热交换。通常，微通道的尺寸在几十到几百微米之间，其内部流动的冷却介质可以是液体或气体。当被冷却物体产生热量时，热量通过传导的方式传递到微通道壁面，然后被冷却介质带走。冷却介质在微通道内的流动可以是层流或湍流，取决于流速和通道尺寸等因素。通过合理设计微通道的结构和布局，可以实现高效的热传递，从而有效地降低被冷却物体的温度。不仅如此，微通道液冷散热热沉尺寸紧凑、结构简单、加工工艺成熟，十分适合用于电子器件散热。
微通道两相液冷系统利用工作液体在微通道内的气液两相变化来实现高效的热传递。当被冷却对象产生热量时，热量传递给微通道内的工作液体。工作液体在吸收热量后，一部分会蒸发成气态，形成气液两相混合物。在微通道内，气液两相混合物的流动会产生强烈的对流换热，从而将热量迅速带走。气态的工作液体在冷却器中被冷凝成液态，然后再回到微通道中继续吸收热量，如此循环往复。
利用相变潜热，散热能力远远高于单相液冷。在相同的流量和温度差下，能够带走更多的热量，适用于高功率密度的散热需求。微通道结构增加了换热面积，进一步提高了热交换效率。
由于气液两相的流动和换热特性，能够使被冷却对象的温度分布更加均匀，减少局部热点的产生，提高设备的可靠性和寿命。
微通道的尺寸通常在几十到几百微米之间，可以在较小的空间内实现高效的散热，适用于对空间有限制的应用场景。
可以根据不同的散热需求选择合适的工作液体和微通道结构，具有较强的适应性。
对于高性能计算机、服务器、数据中心等电子设备，微通道两相液冷可以有效地解决其高功率密度散热问题，提高设备的性能和可靠性。在智能手机、平板电脑等小型电子设备中，微通道两相液冷也可以实现更加紧凑的散热设计。
新能源汽车的电池组、电机控制器等关键部件需要高效的散热系统。微通道两相液冷可以为新能源汽车提供可靠的热管理解决方案，提高电池的寿命和性能，同时减小系统的体积和重量。
在航空航天领域，设备对重量和体积有严格的限制，同时需要应对极端的工作环境。微通道两相液冷可以实现紧凑、高效的散热，满足航空航天设备的需求。
一些医疗设备对温度控制要求非常严格，如激光治疗仪、核磁共振仪等。微通道两相液冷可以为这些医疗设备提供精确的温度控制，确保设备的正常运行。
总之，微通道两相液冷技术具有高效散热、温度均匀性好、结构紧凑、适应性强等优点，在电子设备、新能源汽车、航空航天、医疗等领域具有广阔的应用前景。
04
浸没式相变液冷
该技术是利用冷却液在一定温度和压力条件下发生相变（如从液态变为气态或从气态变为液态），从而吸收或释放大量热量的原理来实现高效散热。当发热设备（如服务器芯片、电子元器件等）被浸没在冷却液中，设备运行产生的热量传递给冷却液，使冷却液达到相变温度后发生相变，通过相变过程将热量迅速带走。例如，当冷却液为低沸点液体时，在吸收热量后液体沸腾变为气态，气态冷却液上升到冷却系统的冷凝器部分，在那里通过冷却手段（如风冷或水冷）将热量散发出去，使气态冷却液重新冷凝为液态，再回流到发热设备处继续吸收热量，如此循环往复，实现对发热设备的持续高效冷却。
冷却液：是浸没式相变液冷系统的关键组成部分，其性质直接影响系统的散热性能和可靠性。常见的冷却液有电子氟化液等，具有高绝缘性（保证不导电，避免电子设备短路）、低沸点（利于在较低温度下发生相变）、大潜热（相变时能吸收或释放大量热量）、稳定性高（不易分解、变质）、低粘度（便于在系统中流动）等特点 。
浸没容器：用于容纳冷却液和发热设备，需具备良好的密封性，防止冷却液泄漏，同时要能承受一定的压力和温度变化。
热交换器：主要用于将冷却液在相变过程中吸收的热量传递给外部冷却介质（如空气、水等），从而使冷却液得以冷却并重新回到液态。
循环泵：为冷却液在系统中的循环流动提供动力，确保冷却液能够不断地从发热设备处吸收热量，然后输送到热交换器进行冷却，再回到发热设备处，形成一个完整的循环。
高效散热：利用冷却液的相变潜热吸收热量，相比传统的风冷或水冷散热方式，散热效率更高，能够有效应对高功率密度设备的散热需求，确保设备在安全的温度范围内运行 。
温度均匀性好：冷却液能够充分接触发热设备的各个部位，使得设备的温度分布更加均匀，避免了局部热点的产生，有利于提高设备的可靠性和寿命 。
节能降噪：由于散热效率高，可以减少对散热风扇等机械部件的依赖，从而降低了系统的能耗；同时，没有了风扇的高速旋转，系统运行时的噪音也大大降低 。
紧凑设计：可以实现设备的紧凑设计，因为不需要庞大的散热风扇和散热片等部件，节省了空间，有利于提高设备的集成度和小型化程度 。
技术复杂性高：涉及到冷却液的选择、热交换器的设计、系统的密封与可靠性等多个技术环节，需要综合考虑各种因素，技术难度较大，对研发和设计人员的要求较高。
成本较高：初期的投资成本相对较高，包括冷却液的成本、特殊的设备和部件的制造费用以及系统的安装和调试成本等。这在一定程度上限制了其在一些对成本敏感的领域的广泛应用。
维护难度大：系统的维护和检修相对复杂，需要专业的技术人员进行操作。例如，在维护过程中需要确保冷却液的质量和性能不受影响，对系统的密封性进行定期检查和维护等。
环境影响：部分冷却液可能对环境有一定的影响，如一些氟化物类冷却液，如果泄漏到环境中可能会对臭氧层造成破坏或具有较高的温室效应。因此，在使用和处理冷却液时需要采取相应的环保措施，以减少对环境的负面影响
数据中心：随着数据中心的规模不断扩大以及服务器等设备的性能和功率密度不断提高，传统的风冷散热方式已难以满足散热需求，浸没式相变液冷技术因其高效的散热能力，能够有效地降低数据中心的温度，保证服务器等设备的稳定运行，同时还可以显著降低数据中心的能耗。例如，谷歌、微软等大型科技公司的数据中心已经开始采用这种液冷技术，实现了数据中心的绿色、高效运行 。
高性能计算领域：如超级计算机、大型服务器集群等，这些设备在运行过程中会产生大量的热量，对散热要求极高。浸没式相变液冷技术能够为其提供强大的散热支持，确保设备在高负载运行下的温度控制在合理范围内，从而保证计算性能的稳定发挥。通过采用液冷技术，可以提高设备的集成度和计算密度，进一步提升高性能计算系统的整体性能 。
电子设备领域：一些对散热要求苛刻的高端电子设备，如游戏电脑、专业图形工作站等，也开始采用浸没式相变液冷技术。这不仅可以有效降低设备的温度，提高设备的性能和稳定性，还能减少设备内部的风扇数量，降低噪音，提升用户体验。此外，在一些特殊的电子设备应用场景，如航空航天、军事等领域，浸没式相变液冷技术也具有重要的应用价值，能够满足这些领域对设备的高性能、高可靠性和恶劣环境适应能力的要求 。
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