中国科学院团队解决大功率电子芯片的热管理难题

 

随着电子信息技术的快速发展，电子芯片的功率密度不断提高，单位体积发热量不断增大，尽管相应的热管理技术也在不断发展，但仍然存在较大的技术挑战，目前常规冷却剂和冷却方法已不能满足其冷却要求，急需发展新的高效冷却技术。针对这一问题，研究所传热传质研究中心项目团队提出将潜热型功能热流体-相变微胶囊悬浮液作为新型冷却工质对热输运性能进行强化，以解决大功率密度电子芯片的热管理难题。 

目前国内外对潜热型功能热流体单相强化传热能力进行了相关研究，但关于其沸腾传热特性研究极少。在数值模拟方面大多是使用均质模型，获得等效热物性参数研究其单相强化传热特性，尚未见关于相变微胶囊悬浮液强化沸腾传热数值模拟研究。项目团队针对相变微胶囊强化沸腾传热的复合相变传热难题，建立CFD-VOF-DPM气液固耦合复合相变数值仿真模型，用等效比热法对相变微胶囊内部的相变过程进行简化，分析了不同微胶囊核心相变温度下悬浮液强化沸腾传热特性，获得对应的流场、温度场和微胶囊颗粒运动机制，结果表明相变微胶囊核心熔点在高于基液沸点后具有更高的沸腾传热强化能力，在基液沸腾过程中，相变微胶囊核心熔化温度介于壁面与主流温度之间，近壁区相变微胶囊在高温区与低温区之间的循环运动，存在不断的吸放热过程，有效强化的近壁区对流换热。 

项目团队搭建了可视化相变微胶囊悬浮液流动沸腾传热实验台，研究了流动速度、热流密度、潜热型功能热流体浓度和核心相变温度等因素对流动沸腾传热特性的影响规律，基液采用3M的Novec 7100，其沸点为61℃。实验测试结果表明，相变微胶囊悬浮液由于微米级颗粒存在强化了沸腾传热，在相变微胶囊核心相变温度高于基液沸点时具有最高的强化沸腾传热特性，与纯基液相比换热系数最高强化率可达22.3%，最大临界热流密度强化率可达25%。基于以上数值仿真与试验测试研究，揭示了相变微胶囊悬浮液复合相变强化沸腾传热机理，为电子器件高效冷却技术发展提供了理论支持。 

以上研究得到中国科学院科研仪器设备研制项目（No. YJKYYQ20200016）和国家自然科学基金项目（No. 52106117）支持，研究成果已分别发表在《Numerical Heat Transfer, Part A: Applications》和《Journal of Thermal Science》期刊上。 

图1潜热型功能热流体近壁区气泡分布、温度场及微胶囊颗粒运动特性

图2 潜热型功能热流体强化沸腾传热试验测试结果

图3 热型功能热流体强化沸腾传热机理