杨光昭|唐勇|陈工|唐恒
深圳大学机电与控制工程学院，中国深圳518000
**摘要**
现代高性能电子系统在有限空间内持续产生大量热量。散热不足可能导致性能下降、可靠性降低，甚至系统故障。因此，建立高效且可控的热管理系统已成为制约电子技术持续发展的关键因素。传统的被动冷却方法依赖于自然对流和热传导，已逐渐接近其理论和工程极限，无法满足下一代设备的温度控制要求。在这种背景下，引入外部能量输入以增强流体传输和热传递的主动冷却技术应运而生，成为克服被动冷却瓶颈的重要发展方向。本文系统地探讨了电子热管理中主动冷却的最新进展，包括主动空气冷却、主动液体冷却（如冷板、微通道、喷射冲击和浸没冷却）、喷雾冷却、热电冷却以及新兴的主动冷却技术。本文采用更为统一的系统视角，从冷却能力、能源效率、结构复杂性、可靠性和维护性以及目标应用等方面对这些技术进行了比较。同时，本文强调了与工程相关的指标，如热阻、压降或泵送功率、单位辅助功率下的热量去除量以及系统级指标，并区分了芯片/封装级别的冷却增强效果与机架和设施级别的热量排放影响。此外，本文还指出了与辅助能量需求、可制造性、流动和相变稳定性、长期可靠性以及更广泛的可持续性权衡相关的共同瓶颈，并强调了未来研究重点，包括多机制协同、集成多尺度设计以及人工智能辅助设计和智能控制。
**引言**
高性能计算、数据中心、航空航天和汽车电子领域的现代电子设备面临着日益严峻的热管理挑战[[1], [2], [3]]。芯片功率密度持续上升，平均热流密度达到数百至超过10^3 W/cm²，局部热点问题愈发突出[[4], [5], [6], [7]]。在数据中心，热管理的能源重要性日益凸显。2024年，全球数据中心的电力消耗估计约为415太瓦时（TWh），占全球电力消耗的约1.5%。数据中心内用于冷却和环境控制的电力占比因设施类型而异，高效的大型数据中心约为7%，而效率较低的企业数据中心则超过30%[8]。国际能源署（IEA）进一步预测，到2030年，在基准情景下，数据中心的电力消耗可能上升至约945太瓦时，接近全球电力消耗的3%。在这种背景下，鉴于2026–2030年间全球电力需求年均增长约3.6%，减轻热管理的能源负担已成为高性能电子系统的重要目标[[9]]。过高的工作温度不仅会降低设备性能和可靠性，还会显著缩短使用寿命[[10], [11], [12], [13], [14]]。同时，设备封装正朝着小型化、高集成度和三维堆叠方向发展。有限的内部空间压缩了传统的散热路径，使得及时高效地移除局部热量变得困难，因此热管理成为进一步提高高性能电子系统性能和长期稳定运行的关键瓶颈[[15], [16], [17], [18]]。如图1所示，高热流、不良散热和严重的热循环可能导致电子设备出现热失控，进而引发性能瓶颈、系统崩溃、设备烧毁、材料退化，甚至火灾或爆炸。这清楚地表明，有效的散热不仅对维持性能至关重要，也是确保现代电子系统安全和长期可靠性的基础。
长期以来，基于自然对流、热传导和辐射的被动冷却因高可靠性、零辅助功耗、静音运行和易于维护而主导了消费电子和低功耗工业设备[[19]]。然而，随着热流密度的增加和封装尺寸的缩小，这种被动解决方案逐渐接近其物理极限[[20], [21], [22]]。为克服被动冷却的固有局限性，主动冷却技术应运而生，成为高热流电子热管理的重要方向[[23,24]]。主动冷却是指引入外部能量输入以增强热传递和增加冷却能力的冷却方案。与仅依赖自然对流和传导的被动冷却不同，主动冷却通常使用风扇、泵等设备生成强制空气或液体流动，加速冷却剂在热源附近的更新，显著提高对流热传递和热量去除能力。典型方法包括主动空气冷却、主动液体冷却、喷雾冷却和热电冷却。通过消耗可控的电能来增加流速或驱动制冷组件，这些系统可以在更高的热流密度和更宽的环境温度范围内保持设备温度在安全范围内，并可能超越单独被动冷却的热传递极限。尽管主动冷却引入了额外的功耗、运动部件和维护复杂性，但在高功率、高度集成和高可靠性应用中，其在冷却能力、温度均匀性和可控性方面的优势日益突出。
如图2所示，主动冷却技术的典型应用涵盖了从数据中心到消费设备的各种电子系统。对于数据中心服务器、高性能计算处理器和人工智能加速器，芯片级别的热流密度在持续高负载下可达到数百W·cm⁻²，因此通常需要升级为冷板冷却、微通道冷却甚至浸没冷却。电力电子设备（如车载逆变器模块、电网转换器和高功率转换器）在高压、大电流和频繁的热循环条件下运行，对绝对结温和其空间梯度极为敏感；因此，它们通常通过在基板内或模块内部集成冷却通道来实现主动液体冷却。高功率激光设备和高亮度LED光源需要结合高效的热扩散结构进行主动冷却，以在保持严格温度控制的同时去除大量热量。相控阵雷达、主动天线阵列和太空精密载荷在紧凑架构和恶劣环境中集成众多主动设备，依靠强制对流或液体冷却网络来确保温度均匀性和长期可靠性。消费设备（如智能手机和虚拟现实（VR）头戴设备）面临局部热点、严格的体积限制、噪音限制和外壳温度要求，通常采用低噪音微型主动冷却与超薄散热器相结合来应对这些热挑战。
2015年至2025年的文献通过Web of Science和Scopus检索，使用“电子热管理”、“电子冷却”、“主动空气冷却”、“风扇冷却”、“液体冷却”、“冷板”、“微通道”、“喷射冲击”、“浸没冷却”、“喷雾冷却”、“热电冷却”、“TEC”、“电液动力冷却”、“离子风”和“液态金属冷却”等通用和特定技术关键词进行筛选。去除重复文献并筛选标题/摘要后，根据冷却方式对论文进行分组，并评估其技术相关性、时效性和代表性。如图3(a)所示，2015–2025年的文献中，关于主动空气冷却的论文约有160篇，主动液体冷却1149篇，喷雾冷却364篇，热电冷却153篇，其他新兴主动冷却技术153篇。随后从这些特定技术领域的文献中选取了近年来取得重大进展的研究进行详细讨论。如图3(a)所示，过去十年间，关于电子设备主动冷却的研究迅速增长，论文总数增加了数倍。主动液体冷却是研究最密集的领域，而喷雾冷却、热电冷却和其他新兴技术也在扩展，而传统的强制空气冷却仅略有增长。这一趋势表明研究重点从单一模式的空气冷却转向以液体冷却和多机制耦合为中心的主动冷却系统。不同主动冷却技术的热传递系数和热流密度可实现范围总结在图3(b)中。
表1总结了近期代表性综述文章的主要冷却方法及其主要关注点。比较发现，现有的电子热管理综述文章往往集中在单一或少数特定冷却技术（如微通道液体冷却、喷雾冷却或热电冷却）上，对多种主动冷却方法在不同电子设备中的集成原理和跨技术可比性关注不足。因此，它们难以从系统层面解决如何在给定的热流密度、空间限制和功率/能源预算下选择、集成和权衡冷却方案的关键工程问题。为解决这一差距，本文采用更为统一的系统视角，对比不同技术类别的主动冷却方法。本文不是引入新的独立指标，而是将冷却能力、能源效率、结构复杂性、可靠性和维护性以及目标应用场景纳入一个更为一致的比较框架。与特定技术领域的综述不同，本文强调通过热阻、压降或泵送功率、单位辅助功率下的热量去除量等工程相关维度进行跨技术解释，并在适用情况下明确区分芯片/封装级别的冷却增强效果与机架和设施级别的热量排放影响，以避免将局部热收益与整体能源节省混淆。图4展示了本文的整体组织结构。
本文系统地探讨了过去五年中主动空气冷却、主动液体冷却、喷雾冷却、热电冷却和新兴主动冷却技术的代表性进展。除了总结典型配置和工作原理外，还提炼了在能耗、可靠性、可维护性、封装限制和可制造性方面的共同瓶颈和工程边界，并将可持续性讨论扩展到辅助能量需求、能源-水-碳-安全权衡以及废热回收潜力。此外，本文还以更可测量和设计为导向的方式确定了未来的研究重点，包括多机制协同、集成多尺度设计以及人工智能辅助设计和智能控制，同时考虑了明确的热、液压、可靠性和能源约束。从这个意义上说，本文的主要贡献不仅在于总结近期进展，还在于为选择冷却方式、性能解释和主动冷却技术的未来发展提供了可重复使用的参考依据。
**主动冷却的基本机制**
主动冷却通过引入外部能量来驱动冷却剂运动或主动调节热传递，从而增强热量去除。在电子热管理中，热量从芯片通过封装和接口材料传递到散热表面，然后通过冷却流体的强制对流被带走。与被动冷却相比，主动冷却的关键作用是增强对流热传递，提高可实现的热流密度，并改善系统性能。
**主动空气冷却**
主动空气冷却技术利用风扇等设备为电子设备提供强制对流冷却，是电子热管理领域中最古老且至今仍占主导地位的方法之一。由于其结构简单、可靠性高和兼容性好，主动空气冷却已被广泛应用于各种类型的电子设备。空气冷却散热器仍是当代电子热管理的主要解决方案之一。
**回顾、挑战与未来研究**
电子设备的主动冷却技术从传统的鳍片-风扇单元不断发展为多级混合解决方案。早期系统主要依靠轴流或离心风扇结合挤压或加工铝制鳍片，并通过宏观尺度的鳍片和管道优化为通用设备提供基础冷却。随着功率密度的增加和封装尺寸的缩小，研究转向了在有限空间内强化局部对流，空气冷却技术也随之发展。
**结论**
本文系统地探讨了电子热管理中的主动冷却技术，并概述了与高热流、局部热点和高度集成小型化封装相关的主要瓶颈。本文综述了主动空气冷却、主动液体冷却（包括冷板、微通道、喷射冲击和浸没冷却）、喷雾冷却、热电冷却以及新兴的冷却技术（如离子风冷却和液态金属冷却），并比较了这些技术的优缺点。作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的研究工作。
致谢
本研究得到了以下项目的资助：国家自然科学基金（项目编号：52475481和52235011）、广东省基础与应用研究基金（项目编号：2025A1515010919和2023B1515120086）、深圳市基础研究专项（项目编号：JCYJ20250604182017023）、深圳市科技计划项目（项目编号：CJGJZD20230724093600001）以及深圳大学2035卓越研究计划（项目编号：2023B007）。
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