微通道中电子元件的亚冷沸腾传热建模
前言：电子芯片散热量的问题被认为是缩小电子元件尺寸的挑战和限制之一。目前，大多数芯片和电子电路都通过鳍片和风扇冷却，这种方式的热传递能力有限。高热传递能力的沸腾换热，同时保持恒定温度，似乎是解决这个障碍的办法。特别是如果可以使用低沸点的液体或利用高沸点的水的过热沸腾条件。
两相流沸腾冷却微针风扇进行实验研究，使用由66排直径为50微米、高度为100微米、间距为91.7微米的圆柱微针鳍组成的1平方厘米加热面作为微蒸发器。
热流密度从20 - 44 W∙cm−2，质量流量从750 - 1750 kg∙m−2∙s−1，介电制冷剂R134a被考虑作为工作流体，报告了R134a的非常稳定的沸腾流动行为。发现换热系数强烈依赖于汽化质量和热流密度，但受质量流量的影响较小。
用沸点分别为78.4°C和56°C的乙醇和丙酮作为工作流体，通过数值模拟在反向和平行流下使用3D打印的单块双层微通道热沉冷却聚光太阳能电池和电子芯片。考虑了1 - 9.2 kW∙m−2的热流密度。强制对流沸腾的反向操作可以在速度范围为25 - 100 ml∙h−1的乙醇和50 - 300 ml∙h−1的丙酮下实现低至1.6°C和1.8°C的温度均匀性。
R134a、R236fa和R245fa在直径为1.030mm的水平圆形通道中的流动沸腾。该研究在饱和温度31˚C下进行，热通量范围为2.3 - 250 kW∙m−2，质量流量范围为200 - 1600 kg∙m−2∙s−1，亚冷却温度范围为2 - 9 K。提出沸腾传热系数、质量流率和热通量之间的相关性，亚冷却温度对传热系数没有影响。
在黄铜、铜和铝圆形水平板上使用制冷剂R113进行池沸腾传热的表面材料和粗糙度对其影响。在小体积的R113中的池沸腾传热，以便在电子散热中进行可能的应用。实验在8-200 kW∙m−2的热流密度下进行，通过测量样品的壁超热和输入热流量计算出热传递系数。
表面材料具有显著影响，其中铜样品提供的热传递系数最高，而铝则最低。关于表面粗糙度的影响，随着表面粗糙度的增加，热传递系数显著提高。
样品经过不同砂纸砂粒大小的处理，以获得不同的表面粗糙度。Ra = 0.901样品的热传递系数比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的热流密度下。
Fq 是外部体力，Flift,q 是升力，Fwl,q 是壁润滑力，Fvm,q 是虚拟质量交换力，Ftd,q 是湍流扩散力，Rpq 是两相之间的相互作用拖力。
在1毫米直径、40毫米长、不锈钢材料的垂直微通道内的亚冷沸腾换热中，其内部流向为向上，通道厚度为0.325毫米。边界条件为：入口流体的亚冷温度恒定，入口流速恒定，通道壁施加的热流密度恒定。
入口流速范围为1-2 m/s，入口亚冷温度范围为59.6-79.6 K，热流密度范围为600-750 kW/m2。使用水作为工作流体，压力为1 bar，饱和温度为372.75 K。不锈钢和水在不同的入口和饱和温度下的两个液体和气体相的热物理性质。
耦合算法进行压力-速度耦合。入口处采用恒定温度，壁道流采用恒定热流量作为边界条件。湍流采用κ-ɛ模型进行建模。值得注意的是，由于对称性，模拟了半个通道以减少计算时间。
对于电子元件冷却中流动沸腾相对于单相传热的优越性。由于干燥现象对流动沸腾传热有严重影响。考虑到入口流体速度在1-2 m∙s−1亚冷温度，59.6-79.6 K热流密度在600-750 kW∙m−2范围内。
在热流密度为600 kW/m2、650 kW/m2和700 kW/m2时，两相流中通道末端的温度分别比相应的单相流低了5.5％，6％和4％。在750 kW/m2的热流密度下，由于进入干点状态，两相流中通道末端的温度比单相流高了74.5％。
电子元件的寿命严重依赖于其工作温度。单相流末端的温度比相应的两相流高5.5%、6%和4%，对应热流量为600、650和700 kW∙m−2。在热流量为750 kW∙m−2的情况下，由于进入干涸状态，两相流末端的温度比单相流高74.5%。
如果使用流沸腾将工作温度控制在较低的范围内，可以延长电子元件的寿命。流沸腾状态应远离干涸状态，以避免温度跃升。在沸腾相之前，T.U.C.较低，通道的表面温度变化较小，这可能对电子元件的使用寿命产生积极影响。
结论:通过向上流动微通道内的强制沸腾换热，在流动沸腾情况下，壁温度比单相流更均匀且更低，这对电子元件的使用寿命有积极影响。当流动沸腾达到干点时，壁温度会显著增加，应该避免操作条件达到干点条件。为了防止出现干点条件，应仔细控制液体的热流密度、进口速度和进口过冷温度。
