“ 台湾阳明交通大学和酷冷至尊（Cooler Master）开展了一种名为多喷嘴喷流冲击液冷散热板（MJILCP）的创新设计，旨在解决高功率电子芯片（如AI、5G和高性能计算设备）在运行中产生的极高热量。该系统设计通过配置交错排列的入口和出口喷嘴，使冷却液能够直接冲击发热表面并迅速排出，从而有效缩短流道长度并消除局部热点。数值模拟结果显示，在处理1000瓦功率的芯片时，该设计比传统的铲齿翅片散热板表现出更优异的均温特性。此外，该新型结构在将热阻降低14.3%的同时，还将泵送功耗削减了19.3%，实现了高效散热与低能耗的理想平衡。这一成果为数据中心和电信设备等领域的高密度热管理提供了极具潜力的高性能解决方案。”
新型多喷嘴射流冲击液冷板
阳明交大, 酷冷至尊 (Cooler Master)
1. 研究背景及核心目标
- 研究背景与散热痛点随着人工智能（AI）、机器学习（ML）和高性能计算（HPC）的发展，电子器件的性能急剧提升。新一代芯片的热设计功耗（TDP）已超过 700 W，预计不久将突破 1500 W。研究表明，约 55% 的设备故障是由高温引起的。传统的风冷方案已无法应对这种极其紧凑的高热通量，而射流冲击冷却（Jet impingement cooling）虽然能耗散高达 2000 W/cm² 的热通量，但传统多喷嘴阵列常面临“喷泉效应（fountain effect）”和废液横流（crossflow）等降低传热效率的问题。
- 研究目标本研究旨在设计一种能够消除局部热点（Thermal hotspots）并确保温度分布均匀的新型多喷嘴射流冲击液冷冷板（MJILCP）。通过三维数值仿真，在 1000 W 的高热设计功耗（TDP）下，将其热工水力性能与工业界常用的铲齿通道液冷冷板（SFCLCP）进行全面对比，以验证其性能优势。
2. 创新结构设计与系统参数（丰富数据展示）
- 交错式微纳结构设计MJILCP 包含一个 46×32×0.25 mm^3 的微型腔室，内部布满了直径和高度均为 0.25 mm 的圆柱形微针翅（Pin-fins）。
- 独特的流体路径其喷嘴直径为 0.2 mm，间距为 0.4 mm。创新的设计在于将出水孔直接布置在两个进水孔之间。流体撞击发热面后可迅速从相邻的出水口排出，极大地缩短了流体路径，彻底避免了废液横流对发热面的二次覆盖。
- 发热模拟与材料冷板底部设定了三个加热区（中心为高功耗逻辑芯片，两侧为高带宽内存 HBM），总加热功率为 1000 W。冷板由高导热铜（导热系数 k = 401 W/m·K）制成。
- 运行工况冷却工质使用入口温度恒定为 25 °C 的 PG25，测试的体积流量范围为 0.75 LPM 到 2 LPM。
3. 核心热工水力性能评估结果
通过经过网格独立性测试（误差控制在 7.22% 以内）和实验验证（误差小于 6%）的高保真 CFD 模型验证，MJILCP 在各项关键指标上均实现了显著突破：
3.1. 极致的表面温度控制与均温性
- 最高温度 (T_max)随着流量增加，MJILCP 展现出更强的降温能力。在 2 LPM 的高流量下，MJILCP 成功将 1000 W 芯片的最高温度压制在 45.3 °C，比传统铲齿冷板（SFCLCP）的 48.6 °C 进一步降低了 3.4 °C。
- 卓越的温度均匀性（TUI）由于优化的流体分配，MJILCP 几乎消除了热点。在 2 LPM 流量下，MJILCP 核心加热区（Zone-1）的最大温差约为 11.5 °C，优于 SFCLCP 的 12.8 °C。
3.2. 热阻（Thermal Resistance）的大幅降低
- 当流量从 0.75 LPM 提升至 2 LPM 时，MJILCP 的热阻急剧下降了 44.8%（相比之下，SFCLCP 仅下降了 33.8%）。
- 在测试范围内，MJILCP 的整体热阻始终低于 SFCLCP，最大降幅达到了 14.3%，并在高流量下实现了惊人的极低热阻水平 0.02 ℃/W。
3.3. 压降与泵浦功耗的双重改善
通常传热性能的提升需要付出极高的压降代价，但 MJILCP 的短流道设计打破了这一困境：
- 压降骤减由于流体撞击后立即由旁边的孔洞排出，避免了像铲齿冷板那样必须流经整个狭长通道，MJILCP 的系统压降比 SFCLCP 最高降低了 19.3%。
- 泵功耗节省一半综合热阻和压降数据，为了达到 0.0236 ℃/W 这一特定的极低热阻目标，MJILCP 所需的泵浦功耗（Pumping power）比传统 SFCLCP 大幅减少了 48%。
4. 综合结论
台湾阳明交通大学与酷冷至尊（Cooler Master）提出并验证了一种用于冷却高功率密度电子芯片的新型多喷嘴射流冲击液冷冷板（MJILCP）。研究发现，具有分布式进出口的新型多喷嘴射流冲击液冷冷板（MJILCP）是应对数据中心和高功率电子设备（TDP > 1000 W）极端散热挑战的绝佳方案。该创新设计不仅实现了更低的芯片结温和更优的均温性，更关键的是，它在最大化降低热阻（-14.3%）的同时，大幅削减了流动压降（-19.3%）和泵浦耗能（-48%），为未来更高效、更节能的热管理解决方案铺平了道路。
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