对新型混合射流冲击微通道散热器在介电流体HFE-7000条件下的两相传热性能实验研究

论文信息：

Aqbal Ahmad, Mohammed W. Sulaiman and Chi-Chuan Wang, Experimental investigation of the two-phase heat transfer performance of a novel hybrid jet impingement microchannel heat sink subject to dielectric fluid HFE-7000, International Communications in Heat and Mass Transfer 165 (2025), 109102

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.109102

Part.1

研究背景

随着物联网、人工智能、5G与云计算快速发展，高集成度IT设备广泛应用，数据中心成为重要基础设施，其电力消耗占全球总用电量的1.3%且仍在持续增长。数据中心能耗中冷却系统占比达38%，电子器件热管理成为制约技术发展的关键瓶颈。传统风冷散热上限仅37  W/cm²，难以满足高热流器件散热需求，液冷成为必然选择。微通道、射流冲击、喷雾冷却等是主流液冷方案，但各存在缺陷：微通道两相工况下压降高、流动不稳定；喷雾冷却性能受喷嘴布置制约；射流冲击具备高热流承载、温度均匀、低压降的优势，得到大量研究。现有研究多聚焦强化表面对射流沸腾的影响，缺少射流‑微通道复合结构与传统横流微通道的定量对比。横流微通道加工简便、成本低廉，却受两相压降与流动失稳问题困扰。因此，本文提出混合射流冲击微通道散热器，选用介电流体HFE‑7000开展流动沸腾实验，与同几何横流微通道散热器对比，探究其传热与阻力特性，解析热扩散热阻贡献，并建立传热预测关联式，为高热流电子设备热设计提供实验支撑。

Part.2

研究内容

本研究搭建完整的两相流动实验回路，加工测试样件，如图1所示，系统由储液罐、冷凝器、齿轮泵、测试段、科里奥利质量流量计、压力传感器、差压变送器、数据采集仪组成。图2(a)为测试段拆解图；图2(b)是装配完成的测试段；图2(c)为Al6061铝合金加热块。图3进一步细化加热块几何尺寸。图4(a)为HJIHS冷板三维结构；图4(b)给出微通道全部几何参数,HJIHS采用单入口、双出口结构，流体从中心进入，经过射流阵列冲击受热基底之后向左右两侧分流，从两个出口流出。图5(a)混合射流HJIHS；图5(b)横流微通道CFHS，对比件CFHS微通道几何尺寸与HJIHS完全保持一致，区别在于流动分配方式：CFHS为单入口、单出口，全部流体沿微通道单向流过整个散热器后统一流出。HJIHS流体冲击受热基底之后分为两股，每一个出口只流过一半流量。图6展示热电偶布置位置、射流阵列位置与热源位置。

图1. 实验系统原理图

图2. (a)测试段拆解图, (b)装配完成的测试段, (c)Al6061铝合金加热块

图3. 进一步细化加热块几何尺寸

图4. (a)HJIHS冷板三维结构, (b)微通道全部几何参数

图5. (a)混合射流HJIHS, (b)横流微通道CFHS

图6. 热电偶布置位置、射流阵列位置与热源位置

本研究在以上装置基础上，开展不同质量通量、不同热流密度下混合射流HJIHS的流动沸腾实验。首先进行单相实验验证（图7），实验点与关联式趋势吻合，最大偏差仅4%，表明整套实验装置可靠。图8为HJIHS沸腾曲线，质量通量97.2  kg/(m²·s)，工质入口温度27  ℃。曲线可以划分为单相区、核态沸腾起始、充分发展核态沸腾；当热流密度超过40  W/cm²之后，曲线斜率降低，接近临界热流。固定质量通量100  kg/(m²·s)下，随热流提升流型的完整演化过程图（图9）：A点孤立气泡流、B点弹状流，气泡大量合并、C点弹‑环状流，通道中心出现拉长气泡，壁面保留液膜、D点局部环状流，热源正上方通道完全形成汽芯，其余通道维持弹‑环状流、E点全通道环状流，通道内部汽芯占据中心，壁面存在薄液膜。图10(a)为不同质量通量下沸腾曲线；图10(b)为等效传热系数HTC随热流密度变化。由图10可知，相同壁面过热度下，质量通量越高，可承受热流密度越高；HTC随热流密度上升而增大；当热流逼近CHF时HTC达到峰值后下降，原因是壁面被汽膜覆盖，出现局部干涸，壁面温度发生波动。高的质量通量能够冲刷壁面汽层，持续润湿受热表面，推迟临界热流发生；HJIHS在质量通量142.4  kg/(m²·s)条件下最高可承受热流密度55  W/cm²，最大等效传热系数达到25600  W/(m²·K)，可以满足高功率电子器件两相液冷散热需求。

图7. 单相实验验证

图8. HJIHS沸腾曲线

图9. 流型的完整演化过程图

图10. (a)不同质量通量下沸腾曲线, (b)等效传热系数HTC随热流密度变化

在此基础上，本研究对比HJIHS与CFHS的传热性能、压降特性，解析热扩散热阻贡献。图11(a)沸腾曲线与(b)换热系数HTC随热流密度变化曲线显示在高的质量通量（约144  kg/(m²·s)）、热流约40  W/cm²条件下HJIHS的传热性能比CFHS高出约4%；低质量通量条件下，射流带来的湍流混合效应弱，HJIHS相比CFHS几乎没有传热增益。射流冲击带来高速射流产生强湍流混合，该混合效应不仅发生在入口区域，流动惯性向下游延续，从而强化传热；低流速条件惯性不足，强化效果消失。图12(a)展示HJIHS两相压降随热流变化；图12(b)直接对比HJIHS和CFHS的两相压降表明当热流达到沸腾起始点之后，由于蒸汽大量生成，加速压降显著增大，压降曲线出现明显抬升，CFHS压降显著高于HJIHS；当质量通量100  kg/(m²·s)，热流40  W/cm²时，HJIHS压降比CFHS低140%。两种散热器内部沿通道空隙分数分布（图13）显示HJIHS蒸汽空隙分数在中心区域高，向两侧出口降低，流体一分为二，每个支路质量通量减半，摩擦压降显著降低，同时抑制了单向流动带来的高空隙分数累积，缓解两相流动不稳定性；CFHS流体单向流动，空隙分数沿着流动方向持续不断升高，高热流下横流微通道容易发生流动回流、流动失稳。图14是热源与散热器基底几何示意图，当小面积热源加热大面积散热器基底时，热量发生二维横向传导，产生热扩散热阻。无论HJIHS还是CFHS，热扩散热阻占总热阻比例均达到约70%，这是造成散热器基底温度不均匀的主导因素。图15(a)显示热流18  W/cm²，在固定热流下，质量通量改变，基底最大-最小温度差维持约7  ℃，质量通量对温度不均匀度影响很小。图15(b)热流提升至39  W/cm²，热源中心温度急剧抬升，出现局部干涸，温度非均匀性加剧。即使对流换热性能提升，扩散热阻占比很高，仍然会造成很大基底温度梯度，这对于大功率芯片散热设计是重要启示。

图11. (a)沸腾曲线, (b)换热系数HTC随热流密度变化曲线

图12. (a)HJIHS两相压降随热流变化, (b)对比HJIHS和CFHS的两相压降

图13. 两种散热器内部沿通道空隙分数分布

图14. 热源与散热器基底几何示意图

图15. (a)18 W/cm²下，不同工质质量流速对应的壁面沿程温度分布, (b)39 W/cm²下，不同工质质量流速对应的壁面沿程温度分布

Part.3

总结与展望

综上所述，本研究以介电流体HFE‑7000为冷却工质，对新型混合射流冲击微通道散热器（HJIHS）开展两相传热实验，并与几何参数一致的传统横流微通道散热器（CFHS）进行对比。实验结果表明，质量通量142.4  kg/（m²·s）时，HJIHS最大散热热流可达55 W/cm²，最高传热系数为25600 W/(m²·K)。仅在高质量通量工况下，射流产生的湍流强化效果得以发挥，HJIHS换热性能较CFHS提升约4%；低质量通量下二者传热性能接近。HJIHS分流结构使其压降显著降低，在质量通量100 kg/（m²·s）、热流40 W/cm²条件下，压降比CFHS低140%，有效缓解两相流动失稳。研究还发现热扩散热阻占总热阻约70%，是造成基底温度不均的关键因素，同时拟合得到可预测传热系数的实验关联式。本研究仍存在局限，未探究射流孔径、节距等几何参数的影响，热源仅采用均匀集中热源。后续可开展射流结构参数优化，研究非均匀热流下的散热表现；拓展不同冷却工质，定量分析压力振荡等流动不稳定性；结合高导热基底等方案降低热扩散热阻，并开展系统级测试，推动该散热器在数据中心液冷领域实际应用。

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