摘要：超高热流密度的散热问题对传统散热技术提出了极大挑战，本文主要探讨了单相射流冲击冷却、两相射流冷却和微小通道冷却在超高热流密度散热技术中的应用。指出将阵列射流与微小通道结合有利于进一步提高散热性能。
关键词：单相射流；两相射流；微小通道；阵列射流
引言
随着微纳技术突飞猛进和高精尖产品集成度升级，很多领域都出现了超高热流密度散热问题。比如航天领域小型探测器、超级计算机芯片冷却等都需要高热流密度散热技术，这些对传统的散热技术提出了极大挑战，急需研究新的适应超高热流密度的散热方式。
在高热流密度散热技术中，阵列式射流冲击冷却和微小通道液冷是两类应用较广、效率较高的液体冷却技术，它们在电子器件冷却领域各有优势，已经成为目前高热流密度散热领域的研究热点。考虑到射流冲击冷却和微小通道冷却的优缺点，近年来许多学者从不同角度研究了阵列射流与微小通道相结合的结构，如文献[1-2]集成了这两种散热技术的优点，降低了流动压降，减小了轴向温度梯度，使得壁面温度分布更加均匀，从而提高了流动稳定性。然而，该结构复杂且换热机理尚未明确，亟需为工程应用积累足够实验数据。
1.单相射流冷却
射流冲击冷却是指工质在压差作用下，通过射流孔高速冲击到加热表面上进行换热冷却。因流体直接冲击加热表面，流程短且在被冲击表面上形成的边界层很薄，故能产生极强的对流换热效应而实现高热流密度热量排散。影响射流换热系数的因素有多种，射流孔几何结构、加热面结构、工质物性、射流速度、射流方向，以及射流形式等对射流冷却性能有重要影响。
单孔射流的覆盖范围有限，对大面积热源采用阵列式排布的多孔射流可更好地实现均匀冷却。受周边射流流束和横流影响，多孔阵列射流的流场及温度场分布较单孔更复杂。
理论上，随着射流直径、孔间距和射流距离的同比例减小，射流冷却的换热系数将单调递增，采用微孔阵列射流方法可提高射流冷却的性能。但需注意，数值研究结果表明，对阵列式结构，射流距离过小时，由于横流的作用会导致下游射流偏离，因此需对射流结构参数进行优化分析，以获得最佳的整体换热效果。
2.两相射流冷却
两相射流利用液体工质相变过程中的潜热，可实现更高的换热效率。目前工程应用中两相射流冷却工质多为水、制冷剂和电子冷却液。在较高热流密度下，液体冷却工质发生沸腾相变，使换热系数进一步提高。近年微电子射流冷却的部分实验条件和结果表明：临界热流密度与（u／d）1/3成正比（u为射流速度，d为射流孔径）；增大过冷度对提高临界热流密度有一定的促进作用。
3.阵列射流／微通道冷却
文献[3]对阵列射流／微通道冷却进行了系列实验及模拟研究，采用圆孔阵列射流，结果表明：在射流速度6.01m/s，射流过冷度91.6℃条件下．此结构可实现热量排散862W/cm2，此时壁面平均温度约250℃，压降159 kPa，且在1127W／cm2 仍没有达到临界热流密度。研究认为这种结构强化换热机理是过冷液体射流周期性破坏气泡成长。而微通道肋片效应降低了加热底面的实际热流密度。也提高了换热性能。
对阵列射流与单/多跟微小通道结合的结构也进行了大量研究。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆研究认为，集成射流冲击与微通道，可综合两种散热技术的优点，显著降低压降，并保持通道内的流动均匀，减小轴向温度梯度，还能降低微通道内的空泡份额，使壁面温度分布更加均匀，降低壁面过热度及流动不稳定性，从而提升临界热流密度。
为提高射流冲击表面的散热性能，可对射流冲击表面进行处理，文献[4-5]采用了微针肋、纳米线和微纳多孔涂层等微纳结构。研究结果表明：这种微纳结构表面的射流冲击换热效果明显优于普通平面换热，换热系数和临界热流密度均有不同程度提高，其提高幅度取决于射流速度、液体过冷度和表面结构的尺寸等。
4.结论
单相射流冷却的研究较多，其换热机理及影响因素相对明确。采用阵列式单相射流可实现大面积、超高热流密度表面的冷却，但需要高的系统压力维持单相状态，以及较高的流量和压降保证冷却效果。沸腾相变的汽化潜热大，两相射流需要的冷却剂流量、系统压力和压降明显低于单相射流。此外，在平板热沉、微通道热沉和肋片式热沉中集成射流冲击结构，可进一步提高换热系数并降低温度梯度。射流冷却研究趋势逐渐由气体冷却转向液体冷却，由单相射流转为两相射流。单相及两相浸没式阵列射流，适于大面积空间环境应用，而采用强化结构进一步提高射流冷却效率，在高热流密度散热领域极具发展前景。目前对适于大面积、狭窄空间应用的受限式阵列两相射流的研究较少．而强化表面的射流冲击冷却结构研究则刚起步，其换热机理和影响因素尚未明确，距离工程应用还有一定距离。深入研究浸没式两相射流和射流表面强化换热，对大面积高热流散热技术的发展有重要的指导意义和工程价值。
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论文作者:白鹤翔
论文发表刊物:《基层建设》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/7
标签：射流论文; 热流论文; 阵列论文; 密度论文; 换热论文; 单相论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第27期论文;