CN107567247B - 一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法 - Google Patents
一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电子器件散热方法的技术领域，具体涉及一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，解决了大功率电子器件高热流密度散热问题。实施所述方法的结构为阵列射流结构；实施所述方法的流动工质为相变纳胶囊悬浮液，相变纳胶囊悬浮液与目标物发生热交换，实现对目标物的温度控制。本发明将相变纳胶囊悬浮液用于浸没式阵列射流冲击换热，其中相变囊芯的固液相变换热以及纳胶囊颗粒的扰流作用可明显提高阵列射流的换热性能，实现对高热流密度条件下目标物的散热需求。本发明采用的固液相变强化换热方式相对更为稳定，散热结构更为简单。
Description
技术领域
本发明属于电子器件散热方法的技术领域，具体涉及一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法。
背景技术
随着微机械加工水平的不断发展，电子器件逐步向着微型化、高度集成化及高工作频率的方向发展，这就使得其工作时的热流密度迅速升高，可高达100W/cm2，因此，采用高效可靠的冷却方案实现对电子器件的热控制，对保证其安全工作至关重要。
射流冲击是将流动工质通过喷嘴高速冲击到目标物，由于流质的高速作用使得其在目标物滞止点附近的边界层很薄，可以达到强烈的换热效果。阵列射流是将多个喷嘴以一定的阵列形式进行布置，形成多股射流。相对于单喷嘴射流，阵列射流可以在冲击面形成多个驻点区域，保证冲击面上的对流换热系数分布更均匀，温度均匀性更优。文献1[Muszynski T, Andrzejczyk R. Applicability of arrays of microjets heattransfer correlations to design compact heat exchangers. Applied ThermalEngineering, 2016, 100: 105-113]以水作为工质实验研究了阵列射流的换热性能，对流换热系数可高达10000W/m2K，实现对高热流密度表面的有效冷却。
现有的电子器件散热方法有利用沸腾冷却来强化阵列射流的散热技术，例如中国专利201110122114.X，公开了一种高热流密度条件下阵列射流、沸腾冷却耦合换热方法，其将单相阵列射流冲击冷却和沸腾换热结合，利用冷却液的蒸发潜热移除电子器件的热量，即选取沸点在-20℃ -30℃的冷却液，通过控制工质压力在-0.5bar-10bar，获得所需范围内的沸点温度，将冷却液泵送至阵列射流冲击装置，通过射流孔射流在换热表面上，同时控制冷却液的温度和压力，使冷却液在射流换热后部分发生相变，利用冷却液的汽化潜热散热，换热后残余液体以及汽化的气体在压差作用下排除，完成整个阵列射流、沸腾冷却耦合换热过程。虽然该方式换热效果提高明显，但由于其采用气液相变方式，需要将工质压力控制在一定的范围，因此对装置整体的密封性要求较高；同时，气液相变过程不易稳定，较难控制，系统压降功耗较大，因此，工程实现具有一定难度。
发明内容
本发明的目的在于解决大功率电子器件高热流密度散热问题，提供了一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，该方法相对以往高热流密度散热方法，具有换热系数大、目标物温度均匀性好、结构简单、工质流量小等优点。
为达上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，实施所述方法的结构为阵列射流结构；实施所述方法的流动工质为相变纳胶囊悬浮液，相变纳胶囊悬浮液与目标物发生热交换，实现对目标物的温度控制。
所述的阵列射流结构包括工质入口、缓冲腔、阵列孔板以及工质出口，所述的相变纳胶囊悬浮液由工质入口进入缓冲腔，经过缓冲腔后的相变纳胶囊悬浮液在通过阵列孔板前具有了相同的压力以及温度，然后经过阵列孔板形成浸没式阵列射流冲击到目标物的表面，相变纳胶囊悬浮液在与目标物进行热交换后由工质出口流出，相变纳胶囊悬浮液在与目标物发生热交换时，相变纳胶囊悬浮液中相变纳胶囊颗粒内的相变囊芯发生固液相变，利用固液相变过程中的潜热吸收来强化阵列射流的换热性能，实现对目标物的温度控制。
所述的相变纳胶囊悬浮液是相变纳胶囊颗粒分散于冷却基液中所形成，相变纳胶囊悬浮液中相变纳胶囊颗粒的体积百分数范围为15%-60%。
所述的相变纳胶囊悬浮液中添加使相变纳胶囊颗粒分散更均匀的表面活性剂，表面活性剂添加的体积百分数范围为0-0.2%。
所述的相变纳胶囊颗粒的直径范围为10nm-1000nm，相变纳胶囊颗粒由壳体和相变囊芯组成，相变纳胶囊颗粒中相变囊芯的质量百分数范围为30%-80%。
所述的缓冲腔的高度范围为0.1mm-50mm。
所述的阵列孔板的下方为目标物，阵列孔板的尺寸与目标物的尺寸相一致，阵列孔板上均匀分布阵列孔，阵列孔的孔径D范围为0.01mm-5.0mm，阵列孔的间距S与孔径D的比值范围为2-10，阵列孔板出口到目标物的射流间距H与孔径D的比值范围为3-40。
所述的工质出口位置高于阵列孔板的下沿，工质出口个数的范围为2-8个。
所述的相变纳胶囊悬浮液是一种将相变纳胶囊颗粒分散于单相流动工质中所形成的两相悬浮液。相变纳胶囊颗粒是由相变囊芯和壳体组成的纳米尺度颗粒，其中囊芯为固液相变材料（如石蜡、水合盐、合金等），壳体通常为无机材料，壳体的存在可避免相变囊芯与基体流质的直接接触。由于相变囊芯在固液相变过程中可吸收或释放大量潜热，具有很大的当量比热，可明显提高流体的对流换热能力，同时相变囊芯在相变过程中近似恒温的特点也使其具有温度控制的特性，因此相变纳胶囊悬浮液是一种集储热、温控与强化传热于一体的功能性流体。文献2[Wu W, Bostanci H, Chow LC, et al. Heat transferenhancement of PAO in microchannel heat exchanger using nano-encapsulatedphase change indium particles. International Journal of Heat and MassTransfer, 2013, 58 (1-2): 348-355]将相变纳胶囊悬浮液应用于微通道换热器，实验表明其对流换热性能相对于单相工质时明显提高，达到47000W/m2K，证明了相变纳胶囊悬浮液强化对流换热的能力。
本发明将相变纳胶囊悬浮液引入阵列射流中，将阵列射流的高效换热性能与相变纳胶囊悬浮液的强化对流换热特点相结合，提出阵列射流、固液相变相耦合的方法，实现大功率电子器件高热流密度条件下的散热要求。
与现有技术相比，本发明具有如下的显著优点：
（1）本发明将相变纳胶囊悬浮液用于浸没式阵列射流冲击换热，利用悬浮液内相变纳胶囊颗粒中相变囊芯的固液相变换热提高了悬浮液的当量热容，进而提高了悬浮液阵列射流的换热性能，实现对高热流密度条件下目标物的散热需求;
（2）相较于现有的利用沸腾冷却来强化阵列射流的散热技术，虽然该方式换热效果提高明显，但由于气液相变过程极不稳定，难以控制。而本发明采用的固液相变强化换热方式相对更为稳定，散热结构更为简单;
（3）相变纳胶囊悬浮液中的纳胶囊颗粒冲击到目标物时可对流动起到扰动作用，进一步强化阵列射流换热。
附图说明
图1为阵列射流、固液相变相耦合的散热原理示意图；
图2为阵列孔板俯视图；
图3为相变纳胶囊悬浮液透射电镜图片；
图4为相变纳胶囊颗粒的结构示意图；
图5为工质入口温度为27℃时加热面上的温度分布；
图6为为加热面的平均换热努赛尔数Nu随工质入口温度的变化曲线；
图7为换热努赛尔数Nu随相变纳胶囊悬浮液参数的变化曲线；
其中：1为工质入口，2为缓冲腔，3为阵列孔板，4为目标物，5为工质出口，6为相变纳胶囊悬浮液，7为相变纳胶囊颗粒，8为相变纳胶囊颗粒的壳体，9为相变纳胶囊颗粒的相变囊芯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：实施所述方法的结构为阵列射流结构；实施所述方法的流动工质为相变纳胶囊悬浮液，相变纳胶囊悬浮液与目标物发生热交换，实现对目标物的温度控制。
如图1所示，本发明为一种采用阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法原理示意图，其实施结构为阵列射流结构主要由工质入口1、缓冲腔2、阵列孔板3、工质出口5组成。相变纳胶囊悬浮液6由工质入口1进入缓冲腔2，经过缓冲腔2后的相变纳胶囊悬浮液6在通过阵列孔板3前具有了相同的压力以及温度，然后经过阵列孔板3形成浸没式阵列射流冲击到目标物4的表面，相变纳胶囊悬浮液6在与目标物4进行热交换后由工质出口5流出。悬浮液在与目标物发生热交换时，悬浮液内相变纳胶囊颗粒中的相变囊芯发生固液相变，利用固液相变过程中的潜热吸收来强化阵列射流的换热性能，实现对目标物的温度控制。
进一步，所述缓冲腔2的高度范围为0.1mm-50mm，缓冲腔2的作用是使相变纳胶囊悬浮液6在通过阵列孔板3前具有相同的压力以及温度，以便形成流速与温度相同的阵列射流，保证对目标物4的均匀冷却；工质出口5位置高于阵列孔板3的下沿，以便阵列射流冲击到目标物后形成浸没射流，工质出口（5）个数的范围为2-8个。
结合图1和图2，所述的阵列孔板3的下方为目标物4，阵列孔板的尺寸与目标物的尺寸相一致，阵列孔板3上的阵列孔均匀分布，孔径D范围为0.01mm-5.0mm，阵列孔的间距S与孔径D的比值范围为2-10；阵列孔板3下沿到目标物4的射流间距H与孔径D的比值范围为3-40。
结合图1和图3，所述相变纳胶囊悬浮液6是相变纳胶囊颗粒7分散于冷却基液中所形成，相变纳胶囊悬浮液6中相变纳胶囊颗粒7的体积百分数范围为15%-60%，相变纳胶囊颗粒7的直径范围为10nm-1000nm；同时，悬浮液中可添加表面活性剂以便使颗粒分散更均匀，表面活性剂添加的体积百分数范围为0-0.2%。所述的冷却基液和表面活性剂本领域技术人员从现有技术中可以轻松获知。
结合图3和图4，所述相变纳胶囊颗粒的直径范围为10nm-1000nm，所述相变纳胶囊颗粒7由壳体8和相变囊芯9组成；相变囊芯9占相变纳胶囊颗粒7的质量百分数范围为30%-80%；壳体8的材质为无机材料或有机高分子材料，其作用是避免相变囊芯9与冷却基液的直接接触；相变囊芯9的材质采用固液相变材料，当相变纳胶囊颗粒7与目标表面发生换热时，囊芯材质发生固液相变，利用潜热提高悬浮液的换热能力。
实施例：
如图1所示。通过二维数值仿真研究其换热性能，本发明物理模型采用三组喷管组成的阵列射流结构，喷管孔径D为1mm，阵列孔间距S为5mm，射流间距H为10mm。流动工质分别考虑纯水与相变纳胶囊悬浮液作对比试验，其中相变纳胶囊悬浮液中相变纳胶囊颗粒7的体积百分数为28%，单个相变纳胶囊颗粒中相变囊芯的质量百分数为48.6%，胶囊颗粒的平均直径为100nm，悬浮液的相变潜热为31.2kJ/kg，相变温度区间为27-29℃，单个喷嘴的体积流量为0.94L/min，加热面热流密度为400W/cm2。
图5为工质入口温度为27℃时加热面上的温度分布。其中，三个喷管的中心线分别位于x=-5mm，0mm，5mm处，可以看出，无论采用纯水或悬浮液工质，三个喷管组成的阵列射流冲击在加热面形成两个低温区域，而且由于相邻射流间的影响，这两个低温区域并不直接位于各喷管中心处，而是位于相邻两个喷管之间。采用纯水作为冷却工质时，加热面的最高温度超过了80℃，而采用相变纳胶囊悬浮液时，相变囊芯的潜热吸收使得加热面的整体温度下降10℃左右，最高温度为69℃，满足大部分电子器件的温控要求。
图6所示为加热面的平均换热努赛尔数Nu随工质入口温度的变化曲线。可以看到，采用纯水工质时其对流换热努赛尔数Nu不随工质入口温度发生变化。而对于相变纳胶囊悬浮液，随着工质入口温度的增加，其换热努赛尔数Nu呈先增大后减小的趋势，当入口温度为相变囊芯的相变温度区间的下限，也即27℃时，阵列射流的换热性能最优，相对于纯水工质可提高33%。但注意到，当入口温度过低（<23℃）或过高（>28.5℃）时，悬浮液的换热努赛尔数Nu均低于纯水工质，这是由于入口温度过低或过高均会导致相变纳胶囊悬浮液的潜热吸收能力未能发挥作用，而悬浮液的粘度大于纯水，因此其换热性能会降低。
图7所示为换热努赛尔数Nu随相变纳胶囊悬浮液参数的变化曲线，其中单个颗粒内相变囊芯的质量百分数选取30%、48.6%、80%三个参数，而悬浮液的体积百分数变化范围为15%-60%，工质入口温度均为27℃。由图中结果可知，当悬浮液体积百分数增加或相变囊芯质量百分数增大，冲击面的换热努赛尔数Nu均逐渐增大，这是由于这两个参数的增加意味着悬浮液的潜热能力增大，因此提高了阵列射流的换热性能。图中参数范围内的换热努赛尔数Nu均明显高于纯水工质时的换热努赛尔数Nu（150），当相变囊芯质量百分数为80%，悬浮液体积百分数为60%时，其换热性能相对于纯水工质可提高77%。
通过以上数值计算表明，采用本发明提出的阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，可以明显提高单相工质阵列射流时的换热性能，降低加热面的温度，在实际应用时可根据具体运行要求。
Claims (7)
1.一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：实施所述方法的结构为阵列射流结构；实施所述方法的流动工质为相变纳胶囊悬浮液（6），相变纳胶囊悬浮液与目标物（4）发生热交换，实现对目标物（4）的温度控制，
所述的阵列射流结构包括工质入口（1）、缓冲腔（2）、阵列孔板（3）以及工质出口（5），所述的相变纳胶囊悬浮液（6）由工质入口（1）进入缓冲腔（2），经过缓冲腔（2）后的相变纳胶囊悬浮液（6）在通过阵列孔板（3）前具有了相同的压力以及温度，然后经过阵列孔板（3）形成浸没式阵列射流冲击到目标物（4）的表面，相变纳胶囊悬浮液（6）在与目标物（4）进行热交换后由工质出口（5）流出，相变纳胶囊悬浮液（6）在与目标物（4）发生热交换时，相变纳胶囊悬浮液中相变纳胶囊颗粒内的相变囊芯发生固液相变，利用固液相变过程中的潜热吸收来强化阵列射流的换热性能，实现对目标物（4）的温度控制。
2.根据权利要求1所述的一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：所述的相变纳胶囊悬浮液（6）是相变纳胶囊颗粒（7）分散于冷却基液中所形成，相变纳胶囊悬浮液（6）中相变纳胶囊颗粒（7）的体积百分数范围为15%-60%。
3.根据权利要求1或2所述的一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：所述的相变纳胶囊悬浮液（6）中添加使相变纳胶囊颗粒分散更均匀的表面活性剂，表面活性剂添加的体积百分数范围为0-0.2%。
4.根据权利要求3所述的一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：所述的相变纳胶囊颗粒（7）的直径范围为10nm-1000nm，相变纳胶囊颗粒（7）由壳体（8）和相变囊芯（9）组成，相变纳胶囊颗粒中相变囊芯（9）的质量百分数范围为30%-80%。
5.根据权利要求4所述的一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：所述的缓冲腔（2）的高度范围为0.1mm-50mm。
6.根据权利要求5所述的一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：所述的阵列孔板（3）的下方为目标物（4），阵列孔板（3）的尺寸与目标物（4）的尺寸相一致，阵列孔板（3）上均匀分布阵列孔，阵列孔的孔径D范围为0.01mm-5.0mm，阵列孔的间距S与孔径D的比值范围为2-10，阵列孔板（3）出口到目标物（4）的射流间距H与孔径D的比值范围为3-40。
7.根据权利要求6所述的一种阵列射流、固液相变相耦合的电子器件散热方法，其特征在于：所述的工质出口（5）位置高于阵列孔板（3）的下沿，工质出口（5）个数的范围为2-8个。
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