中國科學院團隊解決大功率電子芯片的熱管理難題

　　隨著電子信息技術的快速發展，電子芯片的功率密度不斷提高，單位體積發熱量不斷增大，盡管相應的熱管理技術也在不斷發展，但仍然存在較大的技術挑戰，目前常規冷卻劑和冷卻方法已不能滿足其冷卻要求，急需發展新的高效冷卻技術。針對這一問題，研究所傳熱傳質研究中心項目團隊提出將潛熱型功能熱流體-相變微膠囊懸浮液作為新型冷卻工質對熱輸運性能進行強化，以解決大功率密度電子芯片的熱管理難題。

　　目前國內外對潛熱型功能熱流體單相強化傳熱能力進行了相關研究，但關于其沸騰傳熱特性研究極少。在數值模擬方面大多是使用均質模型，獲得等效熱物性參數研究其單相強化傳熱特性，尚未見關于相變微膠囊懸浮液強化沸騰傳熱數值模擬研究。項目團隊針對相變微膠囊強化沸騰傳熱的復合相變傳熱難題，建立CFD-VOF-DPM氣液固耦合復合相變數值仿真模型，用等效比熱法對相變微膠囊內部的相變過程進行簡化，分析了不同微膠囊核心相變溫度下懸浮液強化沸騰傳熱特性，獲得對應的流場、溫度場和微膠囊顆粒運動機制，結果表明相變微膠囊核心熔點在高于基液沸點后具有更高的沸騰傳熱強化能力，在基液沸騰過程中，相變微膠囊核心熔化溫度介于壁面與主流溫度之間，近壁區相變微膠囊在高溫區與低溫區之間的循環運動，存在不斷的吸放熱過程，有效強化的近壁區對流換熱。

　　項目團隊搭建了可視化相變微膠囊懸浮液流動沸騰傳熱實驗臺，研究了流動速度、熱流密度、潛熱型功能熱流體濃度和核心相變溫度等因素對流動沸騰傳熱特性的影響規律，基液采用3M的Novec 7100，其沸點為61℃。實驗測試結果表明，相變微膠囊懸浮液由于微米級顆粒存在強化了沸騰傳熱，在相變微膠囊核心相變溫度高于基液沸點時具有最高的強化沸騰傳熱特性，與純基液相比換熱系數最高強化率可達22.3%，最大臨界熱流密度強化率可達25%。基于以上數值仿真與試驗測試研究，揭示了相變微膠囊懸浮液復合相變強化沸騰傳熱機理，為電子器件高效冷卻技術發展提供了理論支持。

　　以上研究得到中國科學院科研儀器設備研制項目（No. YJKYYQ20200016）和國家自然科學基金項目（No. 52106117）支持，研究成果已分別發表在《Numerical Heat Transfer, Part A: Applications》和《Journal of Thermal Science》期刊上。