多微通道椭圆形针翅阵列散热器中利用介电流体 Thermasolv IM2 流动沸腾的热点冷却

《Applied Thermal Engineering》：Hotspot cooling with flow boiling of dielectric fluid thermasolv IM2 in a multi-minichannel heat sink with elliptical pin fin arrays

　　- 研究了介电流体沸腾以实现局部热点冷却。- 椭圆形销钉翅片区域促进了局部沸腾活动。- 沸腾起始点随轴向位置和质量流量而变化。- 较高的质量流量增强了液体补充和气泡去除。- 并联通道表现出依赖通道的热响应。**引言**计算技术和现代微电子系统的快速进步加速了对高效热管理策略的需求。在高性能微型系统中，局部热点可能导致性能和可靠性方面的严重问题，传统方法已不足以应对[1]。因此，迫切需要能够维持高散热率的冷却技术。流沸腾相变传热因其能够在相变过程中利用潜热来处理高热通量的能力，作为应对这些挑战的解决方案而日益受到关注[2]、[3]。这一能力使流沸腾成为下一代热管理系统的一种有前景的方法。尽管流沸腾具有巨大潜力，但其性能与通道几何形状、表面特性和工作流体高度相关[4]、[5]、[6]。这在微尺度领域尤为关键，因为快速的蒸汽膨胀可能导致流动不稳定性，以及压力和流量振荡[[6]、[7]、[8]]。微通道散热器可以为高热通量去除提供有效解决方案[9]、[10]。其较大的表面积与体积比提高了传热效率，紧凑的设计允许有效的相变传热，使其成为空间受限和热管理至关重要的应用的理想选择[6]、[11]、[12]。在这些几何结构中，控制气泡动力学和确保持续液体供应仍然是重大挑战[6]、[13]、[14]。为克服这些局限，诸如销钉翅片结构等工程化表面特征已被广泛引入以增强热性能[5]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。销钉翅片破坏边界层，增加总冷却表面积，并打碎蒸汽气泡，从而改善液体和蒸汽的混合，延缓临界热通量的发生[5]、[16]、[18]。此外，翅片排列、形状和尖端间隙等几何参数必须仔细选择，以在保持压降和泵送功率处于可接受水平的同时最大化传热。除了几何考虑外，工作流体的选择也进一步影响性能，因为介电流体提供电气绝缘和有利的饱和特性，支持在需要直接冷却的应用中在所需工作温度下稳定运行[3]、[15]、[20]、[21]。总体而言，这些设计策略突显了集成热管理系统在增强流沸腾有效性方面的重要性。受这些进展的启发，先前的研究已展示了销钉翅片强化微/微型通道流沸腾在高热通量热管理和热点缓解方面的潜力[15]、[16]、[17]、[21]、[22]。结构化表面，包括椭圆形销钉翅片阵列，可以促进蒸汽破碎，增加有效传热面积，并增强液体补充，从而在影响压降特性的同时改善沸腾传热性能[5]、[15]、[16]、[19]。此外，介电流体因其在紧凑电子冷却中的电气集成能力和直接热管理应用的适用性而受到关注[3]、[20]、[21]。然而，大多数先前的研究都集中在单通道、单板或相对简单的加热配置上。实际的热点冷却系统通常需要多个水力并联的流道，并承受局部且不均匀的热载荷。在这种配置中，加热通道内的蒸汽产生会改变局部水力阻力，使得并联通道中的热和水力响应难以预测。关于并联沸腾系统以前的研究表明，当沸腾在多个加热路径中发展时，可能会出现压降振荡、流动不稳定性和非均匀两相行为[7]、[8]、[23]、[24]、[25]、[26]。因此，在并联热点冷却架构中，核态沸腾的起始、气泡模式演变、壁面过热度分布、传热系数和压降响应可能变得依赖于特定通道。尽管在销钉翅片强化介电流体沸腾和多点热点冷却方面取得了近期进展[15]、[21]、[22]，但局部热点加热、椭圆形销钉翅片区域、介电流体和水力并联微通道运行的综合效应尚未得到充分评估。为应对这一问题，本研究调查了THERMASOLV? IM2在具有椭圆形销钉翅片热点区域的三通道并联微通道散热器中的流沸腾行为。进行了高速可视化、壁温测量、传热分析和压降测量，以考察质量流量和热通量对沸腾模式演变、核态沸腾起始、通道依赖的热响应、平均传热系数和水力行为的影响。结果提供了并联热点冷却架构中局部介电流体沸腾的实验见解，并阐明了在设计和分析中应考虑通道依赖行为的程度。**各节摘要****闭环流动装置**实验装置由一个闭环流动系统组成，旨在为散热器测试段提供受控的流动和热条件。装置图像和组件布置显示在图1和图2中。环路包括储液箱、循环泵、流量调节段、压力仪表、流量测量设备和用于热控制的冷却单元。工作流体储存在不锈钢储液罐中，该罐同时充当缓冲容积。**仪表设备、数据处理和不确定性分析**主要测量仪器和选定的实验组件用于温度、压力、流量、电功率、循环流动、冷却控制、数据采集和流动可视化，汇总于表2中。该表报告了制造商和型号、测量范围或实验运行条件，以及制造商规定的精度、仪器分辨率或实验不确定性（如适用）。温度、压力、流量……**流动可视化和沸腾模式演变**代表性的流动可视化图像显示在图5中，用于识别主要的沸腾区域。为提高气泡边界的可见性，每幅原始图像显示在上方面板中，而下方对应图像经过背景去除处理并增强了蒸汽相与周围液体之间的对比度。代表性帧选自第3节定义的稳定记录期，对应于……**结论**本研究实验性地调查了介电流体冷却剂THERMASOLV? IM2在具有离散热点区域的水力并联多微通道销钉翅片散热器中的流沸腾行为。实验在质量流量为1208、1670和2082 kg/m2·s以及壁面热通量高达510 kW/m2的条件下进行。采用高速可视化、壁温测量、传热分析和压降测量来考察质量流量、热通量、轴向位置以及……**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究由ASELSAN Inc.雷达与电子战部学术合作项目内部基金资助，项目编号：E.A.EF-24-02818。Seyedreza Tebyani | Ariya Rahmani | Zahra Yaqubi | Yagmur Tomruk | Omid Moradi | Muhammed ?a?lar Malyemez | Murat Parlak | Ali Sadaghiani | Ali Ko?ar