[发明专利]一种强化自由表面阵列射流换热的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子器件热控制方法，将高导热性能纳米流体引入自由表面阵列射流中，从而有效增强阵列射流换热效果。

背景技术

射流冲击冷却的原理是：流体通过一定形状的喷嘴(圆形或狭缝形)直接喷射到被冷却表面，由于流程短，流速高，在换热表面上形成很大的压力，射流冲击驻点区附近的边界层变得很薄，因而具有极高的换热效率，相比于常规的对流换热技术，射流冷却技术的冲击换热系数要高几倍甚至是一个数量级。对比文献1（Fabbri Metteo, Dhir Vijay K., Optimized heat transfer for high power electronic cooling using arrays of microjets, 127(2005): 760-769.）利用微型孔阵列实验研究了阵列射流的散热能力，证明阵列射流是一种极为有效的电子器件散热方法。但是目前实验研究大量使用的是低导热性能的工质，如对比文献1中实验工质为水，而高导热性能的工质必能带来更高的换热性能。

自从纳米流体（对比文献2 Choi S U S, Enhancing thermal conductivity of fluids with nano-particles . American Society of Mechanical Engineering, 231(1995) : 992103.）被提出后，各国学者对其导热能力、粘度等进行了研究，研究证明了纳米流体对强化换热贡献，但未有人将阵列射流和纳米流体相结合，从而增强阵列射流的换热性能，为未来大功率电器的散热提高有效的技术支持。

本方法将纳米流体引入自由表面阵列射流中，将纳米流体的高导热能力和对换热的强化作用和自由表面阵列射流极高的对流换热性能相结合，有效提高了阵列射流的冲击换热能力，从而更加有效的满足更高热流密度电子器件的散热需求，有效控制电子器件的表面温度，满足未来大功率电子器件的工作温度需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有阵列射流技术中存在换热性能较低等问题，提供一种能够应用于高热流密度条件下电子器件散热的方法，提高了电子器件的散热能力，保证电子器件的安全运行。

将高导热性能的纳米流体引入自由表面阵列射流中，选择高导热性能的金属/金属氧化物纳米流体，利用纳米流体的高导热性能和强化换热作用，有效提高阵列射流系统的换热能力，从而获得更高的换热效果。

实现本发明的技术解决方案为：

一种强化自由表面阵列射流换热的方法，包括以下具体步骤：

（1）选择具有高导热性能和高分散性能的纳米粒子；

（2）制备纳米流体；

（3）优化自由表面阵列射流系统；

（4）将制备好的纳米流体加入自由表面阵列射流系统，调节工作环境，进行自由表面阵列射流换热。

第（1）步所述的高导热性能和高分散性能的纳米粒子为金属/金属氧化物纳米粒子，优选铜、铝或者其氧化物。

第（2）步所述的纳米流体采用经典的两步法制备，所述的纳米流体的浓度为0.17-1.34Vol.%。

第（3）步所述的优化阵列射流系统即为优化换热设备本体，换热本体的优化要求相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围为3-10，冲击间距H和射流孔直径比值为3.5-15，射流孔直径范围为0.5mm-3.0mm；同时换热表面刻槽强化换热能力，槽深h选值为0.5mm-1.5mm，槽宽d选值为0.5mm-2.0mm，槽间距p选值为0.5mm-2.0mm。

在第（2）步中，为了达到更好的分散效果，采用十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，所述的十二烷基苯磺酸钠的添加量为0-0.1%。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、实验工质为纳米流体，比普通工质具有更高的导热能力；

2、纳米流体中纳米粒子的无规则运动有助于热量在流体中传递，将有助于提高发热体表面温度的均匀性；

3、纳米流体中纳米粒子冲击换热表面，提高自由表面阵列射流的换热能力。

附图说明

图1是本发明实施例1纳米流体作为散热工质对热流密度为50W/cm²的换热表面进行散热实验的换热效果图。

图2是本发明实施例2纳米流体作为散热工质对热流密度为50W/cm²的换热表面进行散热实验的换热效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。