来源 | International Journal of Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127739

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背景介绍

随着硅技术发展，CPU 热设计功率（TDP）显著提升，如Intel Xeon Platinum 9282 处理器 TDP 达 400W，峰值运行时局部热流密度超300 W/cm²，传统冷却方案难以满足需求。同时，CPU 温度超 70℃后，每升高 2℃性能与可靠性下降 10%，进一步凸显高效散热的重要性。单一主动冷却（如商用 TEC）：低负荷能耗高，且商用 TEC 尺寸大（如 40×40mm）、冷却密度低，导致系统笨重。现有 TEC - 散热器系统仅依赖主动冷却，最大支持 CPU 热负荷 < 300W，未覆盖 400W 级高功率场景；未解决 “低负荷降低能耗” 与 “高负荷保证散热” 的平衡问题。

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成果掠影

近日，华南理工大学甘云华团队提出一种用于CPU 瞬态冷却的两级热管散热器集成高密度 pn 结热电冷却器（TEC-THPHS），创新性结合被动（低负荷仅热管）与主动（高负荷热管 + TEC）冷却模式，共享单个冷却风扇以实现紧凑性与低噪音。通过全尺寸实验研究其启动特性、温度分布及瞬态冷却性能，分析 TEC 模块电流（0-5A）和热负荷（0-400W）对热阻、温度均匀性、制冷量（Qc）及性能系数（COP）的影响。结果表明，该装置最大散热能力超 400W，满负荷下 CPU 热源表面温度稳定在75℃以下；激活 TEC 后瞬态冷却性能优异，30s 内热源温度降低约2℃，最终温差达4℃，COP 最大值为3.19，且通过运行区域划分实现不同热负荷下的节能控制，为高功率 CPU（如 TDP 400W 的 Intel Xeon Platinum 9282）散热提供有效解决方案。研究成果“Performance analysis of a two-stage heat pipe heat sink integrated with high-density pn-junction thermoelectric cooler for CPU transient cooling”为题发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》

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图文导读

图1. TEC-THPHS的工作原理：（a）热管被动散热模式;（b）被动和主动组合冷却模式。

图2. TEC-THPHS示意图：（a）整体图;（b）分解图;（c）热管散热器;（d）热管散热器分解图;（e）径向开槽烧结铜粉芯。

图3.高pn结紧凑型TEC示意图：（a）物理视图;（b）尺寸视图;（c）结构视图;（d）X射线图像和3D视图。

图4.热阻网络：（a）热管被动散热模式;（b）热管被动散热结合TEC冷却模式;（c）TEC。

图5.实验系统及热电偶分布：（a）实验系统示意图;（b）热电偶分布图。

图6.恒定热负荷下Te和ΔThc的瞬态下降：（a）100 W;（b）200 W;（c）300 W;（c）400 W。

图7.随着热负荷的增加，Te和ΔThc的瞬态下降：（a）从100 W到200 W;（B）从100 W到300 W;（c）从100 W到300 W。

图8. TEC-THPHS和其他三种散热器的总热阻随不同热负荷的变化。

图9.热源表面温度Te和温度变化指数σT随TEC模块的不同热负荷和电流的变化：（a）Te与热负荷的关系;（b）σT与热负荷的关系。

图10. TEC模块的冷却能力、热侧散热和COP随不同热负荷和电流的变化：（a）Qc与热负荷;（b）Qh与热负荷;（c）COP与热负荷-点图;（d）COP与热负荷-条形图。

图11. TEC模块的热源表面温度Te和COP与热负荷和TEC电流的关系：（a）Te与热负荷和TEC电流的关系;（b）基于Te的区域划分;（c）COP与热负荷和TEC电流的关系;（d）基于COP的区域划分。