微通道中電子元件的亞冷沸騰傳熱模組化
前言：電子晶片散熱量的問題被認為是縮小電子元件尺寸的挑戰和限制之一。目前，大多數晶片和電子電路都通過鳍片和風扇冷卻，這種方式的熱傳遞能力有限。高熱傳遞能力的沸騰換熱，同時保持恒定溫度，似乎是解決這個障礙的辦法。特别是如果可以使用低沸點的液體或利用高沸點的水的過熱沸騰條件。
兩相流沸騰冷卻微針風扇進行實驗研究，使用由66排直徑為50微米、高度為100微米、間距為91.7微米的圓柱微針鳍組成的1平方厘米加熱面作為微蒸發器。
熱流密度從20 - 44 W∙cm−2，品質流量從750 - 1750 kg∙m−2∙s−1，介電制冷劑R134a被考慮作為工作流體，報告了R134a的非常穩定的沸騰流動行為。發現換熱系數強烈依賴于汽化品質和熱流密度，但受品質流量的影響較小。
用沸點分别為78.4°C和56°C的乙醇和丙酮作為工作流體，通過數值模拟在反向和平行流下使用3D列印的單塊雙層微通道熱沉冷卻聚光太陽能電池和電子晶片。考慮了1 - 9.2 kW∙m−2的熱流密度。強制對流沸騰的反向操作可以在速度範圍為25 - 100 ml∙h−1的乙醇和50 - 300 ml∙h−1的丙酮下實作低至1.6°C和1.8°C的溫度均勻性。
R134a、R236fa和R245fa在直徑為1.030mm的水準圓形通道中的流動沸騰。該研究在飽和溫度31˚C下進行，熱通量範圍為2.3 - 250 kW∙m−2，品質流量範圍為200 - 1600 kg∙m−2∙s−1，亞冷卻溫度範圍為2 - 9 K。提出沸騰傳熱系數、品質流率和熱通量之間的相關性，亞冷卻溫度對傳熱系數沒有影響。
在黃銅、銅和鋁圓形水準闆上使用制冷劑R113進行池沸騰傳熱的表面材料和粗糙度對其影響。在小體積的R113中的池沸騰傳熱，以便在電子散熱中進行可能的應用。實驗在8-200 kW∙m−2的熱流密度下進行，通過測量樣品的壁超熱和輸入熱流量計算出熱傳遞系數。
表面材料具有顯著影響，其中銅樣品提供的熱傳遞系數最高，而鋁則最低。關于表面粗糙度的影響，随着表面粗糙度的增加，熱傳遞系數顯著提高。
樣品經過不同砂紙砂粒大小的處理，以獲得不同的表面粗糙度。Ra = 0.901樣品的熱傳遞系數比Ra = 0.735、0.65和0.09的表面分别高出3.4％、10.5％和38.5％，在170 kW∙m−2的熱流密度下。
Fq 是外部體力，Flift,q 是升力，Fwl,q 是壁潤滑力，Fvm,q 是虛拟品質交換力，Ftd,q 是湍流擴散力，Rpq 是兩相之間的互相作用拖力。
在1毫米直徑、40毫米長、不鏽鋼材料的垂直微通道内的亞冷沸騰換熱中，其内部流向為向上，通道厚度為0.325毫米。邊界條件為：入口流體的亞冷溫度恒定，入口流速恒定，通道壁施加的熱流密度恒定。
入口流速範圍為1-2 m/s，入口亞冷溫度範圍為59.6-79.6 K，熱流密度範圍為600-750 kW/m2。使用水作為工作流體，壓力為1 bar，飽和溫度為372.75 K。不鏽鋼和水在不同的入口和飽和溫度下的兩個液體和氣體相的熱實體性質。
耦合算法進行壓力-速度耦合。入口處采用恒定溫度，壁道流采用恒定熱流量作為邊界條件。湍流采用κ-ɛ模型進行模組化。值得注意的是，由于對稱性，模拟了半個通道以減少計算時間。
對于電子元件冷卻中流動沸騰相對于單相傳熱的優越性。由于幹燥現象對流動沸騰傳熱有嚴重影響。考慮到入口流體速度在1-2 m∙s−1亞冷溫度，59.6-79.6 K熱流密度在600-750 kW∙m−2範圍内。
在熱流密度為600 kW/m2、650 kW/m2和700 kW/m2時，兩相流中通道末端的溫度分别比相應的單相流低了5.5％，6％和4％。在750 kW/m2的熱流密度下，由于進入幹點狀态，兩相流中通道末端的溫度比單相流高了74.5％。
電子元件的壽命嚴重依賴于其工作溫度。單相流末端的溫度比相應的兩相流高5.5%、6%和4%，對應熱流量為600、650和700 kW∙m−2。在熱流量為750 kW∙m−2的情況下，由于進入幹涸狀态，兩相流末端的溫度比單相流高74.5%。
如果使用流沸騰将工作溫度控制在較低的範圍内，可以延長電子元件的壽命。流沸騰狀态應遠離幹涸狀态，以避免溫度躍升。在沸騰相之前，T.U.C.較低，通道的表面溫度變化較小，這可能對電子元件的使用壽命産生積極影響。
結論:通過向上流動微通道内的強制沸騰換熱，在流動沸騰情況下，壁溫度比單相流更均勻且更低，這對電子元件的使用壽命有積極影響。當流動沸騰達到幹點時，壁溫度會顯著增加，應該避免操作條件達到幹點條件。為了防止出現幹點條件，應仔細控制液體的熱流密度、進口速度和進口過冷溫度。
