上理工综述 l 微通道冷却如何破局高热流与低碳？

随着人工智能算力的爆发式增长，芯片功耗正逼近传统散热技术的物理极限；与此同时，全球碳中和目标又对冷却系统自身的能耗提出了严苛要求。散热，正在从电子系统的"配角"变成决定算力上限与能源效率的"主角"。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

在此背景下，上海理工大学杨亮团队系统综述了面向高热流密度电子与可持续能源系统的微通道冷却技术，受自然界经数十亿年演化形成的高效流体输运与换热结构启发，团队从"结构—机制—工程"全链条的视角破解"强化换热、降低流阻、控制成本与保障可靠性难以兼得"的难题。

综述论文发表于Renewable and Sustainable Energy Reviews期刊，题为 "Microchannel cooling for high heat flux electronics and sustainable energy systems: Structures, mechanisms, and engineering challenges"。

论文链接：

DOI: 10.1016/j.rser.2026.117252

论文摘要

微通道冷却技术是高端电子与可持续能源系统（包括高功率芯片、服务器、可再生能源设备以及新能源汽车等）的核心热管理方案。在全球碳中和目标与算力指数级增长的双重压力下，降低冷却能耗、提高系统效率已成为关键优先事项。

在后摩尔时代，芯片总功耗可达千瓦级，局部热流密度高达1000 W/cm²。传统风冷和主要依赖毫米级通道及液冷冷板长传热路径的常规液冷，因其热阻高、能效低、温度均匀性差，正日益成为限制算力进一步提升和低碳能源系统可靠运行的核心瓶颈。

在此背景下，微通道散热技术凭借传热路径短、集成密度高、比表面积大等关键优势，成为突破热极限的重要解决方案。

本文从通道几何、强化湍流结构、仿生设计、拓扑优化构型、增材制造以及能源可持续性等角度综述近期研究进展，重点分析设计原理与内在性能机理。面向高热流密度冷却需求，提出未来研究方向，包括多耦合结构一体化设计、极端工况优化以及低成本可规模化制造。此外，本文不仅从增材制造角度评估微通道的可制造性与经济可行性，还从能效角度分析其在数据中心、动力电池、光伏与燃料电池等场景中面向可持续能源应用的节能潜力，旨在为可持续低碳能源基础设施的微通道热管理系统设计提供参考。

成果简介

该团队从四个维度展开梳理：

• 流道几何。在对比的多种截面中，六边形截面综合热工性能相对最优，换热系数较圆形高 3.5%–8.6%；合理的高宽比（βAR）可在换热与压降之间取得平衡，超高宽比还会诱导新的流动形态、利好超高热流沸腾；波形流道可将热阻最多降低 57.4%；而特斯拉阀（Tesla valve）流道以非对称几何实现无运动件的单向整流，兼顾抑制气液逆流与稳定沸腾，使沸腾换热系数提升 128%，是两相冷却的优选方案。

• 扰流结构。底部肋柱直接作用于最厚的热边界层，换热系数较侧壁肋高 10%–15%；水滴形针肋可使临界热流密度（CHF）最多提升 52.8%、换热系数提升 78.1%；针肋与侧壁肋的耦合结构通过协同产生有序二次流，避免漩涡与流动死区，在换热性能与流阻之间实现精准平衡。

• 仿生与拓扑优化。仿生微通道的 CHF 已从 2022 年的 62 W/cm² 提升至 2026 年荷叶启发设计的 267 W/cm²；拓扑优化结构可在 1570 W/cm² 下稳定散热并同时降低热阻与压降。团队进一步从"几何模仿"上升到"设计原理"，凝练出分形分支（分支级数 3–5 级、夹角 30°–60°）、拓扑优化与表面功能化三类可迁移、可叠加的设计法则，并给出覆盖热流密度区间、制造就绪度（TRL）、成本敏感度的结构选型矩阵。

• 增材制造与能源可持续性。仿生与拓扑优化结构的多级分支、曲面路径几乎无法用传统 CNC/光刻成形，增材制造"一步成形"是唯一可行路径——其价值在于"化不可能为可能"，而非与传统工艺比拼成本。能效层面，仿生分形与拓扑优化结构的 COP 达 10⁴–10⁵，泵功仅占总功耗的 0.001%–0.01%，为数据中心 PUE 下降与低碳能源系统节能提供了物理基础。

面向工程落地，团队给出了明确的选型逻辑：热流密度q > 500 W/cm² 时优先拓扑优化/仿生分形结构；50–500 W/cm² 时歧管微通道在性能、可制造性与可扩展性之间最具平衡性，两相浸没沸腾场景则优选特斯拉阀流道；q < 50 W/cm² 的动力电池与燃料电池等成本敏感场景，以成熟的矩形/梯形截面为主。该框架对高功率芯片、数据中心、动力电池、聚光光伏与燃料电池等场景均有直接参考价值。

图文导读

图1. 芯片的应用领域。

图2. 非规则截面微通道。

图3. 开放式射流矩形微通道内的流动沸腾 。

图4. 高高宽比（βAR）微通道内的流动沸腾。

图5. 侧壁肋结构微通道的代表性研究：(a) 矩形侧壁肋 ；(b) 三角形侧壁肋 ；(c) 半圆形侧壁肋；(d) 椭圆形、梯形、水滴形与矩形侧壁肋；(e) 锯齿形侧壁肋；(f) 三叶草形侧壁肋 。

图6. 代表性微通道针肋设计：(a) 水滴形；(b) 微针；(c) 菱形；(d) 多孔；(e) 鱼尾形 。

图7. 扰流结构的数值模拟结果：(a) 麦粒形针肋构型；(b) 鲨鱼鳍形针肋构型 。

图8. 针肋与侧壁肋耦合结构：(a) 矩形侧壁肋+圆形针肋；(b) 扇形腔+圆形针肋；(c) 多种针肋形状与腔体的组合。

图9. 近五年仿生微通道临界热流密度（CHF）提升进展。

图10. 动物启发的代表性仿生微通道设计：(a) 蜥蜴鳞片；(b) 蜻蜓翅脉 ；(c) 蝴蝶翅膀 ；(d) 昆虫翅脉。

图11. 潜水甲虫翅膀与人体皮肤汗孔带来的启发：(a) 潜水甲虫翅膀仿生结构；(b) 仿生汗孔结构。

图12. 白蚁巢穴与蜘蛛网启发的代表性仿生微通道设计：(a) 白蚁巢穴仿生；(b)–(d) 蜘蛛网仿生拓扑结构。

图13. (a) 蜘蛛网拓扑+鲨鱼皮纹理耦合仿生结构；(b) 鱼鳞仿生结构 。

图14. 植物启发的代表性仿生微通道设计：(a) 叶脉；(b) 南瓜卷须螺旋；(c) 斐波那契螺旋；(d) 四叶草。

图15. (a) 叶脉启发歧管结构；(b) 花瓣启发结构；(c) 荷叶启发结构；(d) 树状分形启发结构。

图16. (a)–(b) 雪花启发结构；(c) 叶脉+蜂窝混合结构。

图17. 代表性拓扑优化微通道设计：(a) 对角拓扑 ；(b) 拓扑结构对比；(c) 单目标拓扑优化结构。

图18. (a)–(d) 代表性多目标拓扑优化微通道设计。

图19. (a) 均匀化拓扑优化结构；(b) 多目标+共形极小曲面点阵混合结构 。

图20. 微通道的增材制造：(a) 激光粉末床熔融（LPBF）成形的拓扑优化结构；(b) 多金属电铸成形的射流微通道。

转载自：DT洞见热管理

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