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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)

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

Part.1 研究背景

隨著AI技術的高速發(fā)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(tài)與高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行，對散熱系統(tǒng)提出“與重力無關”且高可靠的要求?，F(xiàn)有液冷或傳統(tǒng)LHP雖具較高散熱性能，但在反重力狀態(tài)下穩(wěn)定性不足，難以滿足高功率晶片的散熱需求。因此，開發(fā)一種高功率、重力無關且能高效空氣冷卻的環(huán)路熱管系統(tǒng)，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(tài)及高溫環(huán)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(huán)路熱管（LHP）系統(tǒng)。研究首先基于對現(xiàn)有文獻的分析，指出傳統(tǒng)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(tài)下也能維持穩(wěn)定循環(huán)。隨后，通過一系列實驗對該復合系統(tǒng)在不同安裝方向與環(huán)境溫度下的熱性能進行系統(tǒng)測試，并與傳統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)采用純銅材料與翅片管式冷凝器以提升導熱性能。蒸發(fā)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(wěn)定液體循環(huán)。整體結構與制造工藝的優(yōu)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(huán)路熱管（LHP）的結構細節(jié)：(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(tǒng)的安裝細節(jié)

圖3. 新型環(huán)路熱管蒸發(fā)器的內部結構照片

圖4. 蒸發(fā)器的主要制造工藝過程

研究中主要介紹了新型環(huán)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(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實驗平臺，用于評估LHP在不同姿態(tài)（順重力、水平、逆重力）下的熱性能。加熱模塊用于模擬芯片發(fā)熱，冷卻系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)傳熱性能的影響。同時，通過計算總熱阻、蒸發(fā)器熱阻、LHP熱阻以及性能系數(shù)（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(tǒng)的綜合散熱性能。

圖5. 新型環(huán)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(fā)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(fā)器和冷凝器的壁熱阻及蒸汽壓力降，計算系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)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(shù)不斷更新核心溫度和熱泄漏，最終得到穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)和蒸發(fā)器溫度，為預測和優(yōu)化LHP在不同姿態(tài)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(fā)器熱阻和蒸汽輸送距離等參數(shù)。同時，通過理論分析計算了傳熱系數(shù)和蒸發(fā)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(guī)律，為后續(xù)TEC輔助LHP的優(yōu)化提供了基礎數(shù)據(jù)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(fā)器熱阻 (Re)

圖10. 無TEC輔助情況下LHP在不同方向的穩(wěn)態(tài)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(shù)；(b)蒸發(fā)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(huán)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(tǒng)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(huán)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(wěn)態(tài)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(huán)路熱管熱阻（RLHP）；(d)蒸發(fā)器熱阻（Re）；(e)TEC功耗；(f)性能系數(shù)（COP）

圖13. 在重力輔助方向下，帶有TEC輔助的LHP穩(wěn)態(tài)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(huán)路熱管熱阻（RLHP）；(d)蒸發(fā)器熱阻（Re）；(e)TEC功耗；(f)性能系數(shù)（COP）

圖15. 在水平方向下，帶有TEC輔助的LHP穩(wěn)態(tài)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(huán)路熱管熱阻（RLHP）；(d)蒸發(fā)器熱阻（Re）；(e)TEC功耗；(f)性能系數(shù)（COP）

圖17. 在反重力方向下，帶有TEC輔助的LHP穩(wěn)態(tài)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(shù)；(b)蒸發(fā)器溫度

通過平均絕對誤差（MAE）方法系統(tǒng)分析了帶有TEC輔助的環(huán)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(xiàn)了近乎“重力無關”的穩(wěn)定運行特性。

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

研究了環(huán)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(huán)境溫度從25 °C 升高至45 °C 時，系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)仍展現(xiàn)出遠優(yōu)于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的能效水平。

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

本文提出了未來LHP系統(tǒng)的優(yōu)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(yōu)化。同時，蒸發(fā)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(tǒng)功耗，后續(xù)研究應重點優(yōu)化冷凝器與TEC結構以實現(xiàn)低能耗與高性能的平衡，從而提升系統(tǒng)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(tǒng)環(huán)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(tǒng)。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(tǒng)的最大散熱能力，尤其在反重力方向下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和重力不敏感特性。此外，研究還探討了環(huán)境溫度對性能的影響，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在高溫環(huán)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(yōu)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(jié)能且方向無關的散熱解決方案。

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