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創(chuàng)紀錄高傳熱性能!3D打印分級微/納結構表面大幅優(yōu)化噴霧冷卻傳熱路徑

3D打印動態(tài)
2025
08/08
12:36
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來源:熱管理行家

在人工智能、通信、電動汽車、國防與航空航天等領域中,如何在高熱流密度條件下控制設備工作溫度已成為一項重要挑戰(zhàn)。噴霧冷卻結合了強制對流與工質(zhì)相變潛熱,是一種具有高熱流散熱潛力的技術。然而,大多數(shù)噴霧冷卻增強研究通過提高噴霧流速來強化強制對流,以實現(xiàn)較高的臨界熱流密度(CHF),但這種方法通常會導致較低的傳熱系數(shù)(HTC)。盡管微/納結構表面能增強沸騰性能,但其內(nèi)部容易形成氣膜,從而降低傳熱效率。

基于此,華中科技大學楊榮貴教授課題組結合微納3D打印與電沉積技術,制備了三維有序微納多級結構表面。該表面通過調(diào)控噴霧液滴、液膜和汽泡的協(xié)同輸運,同步強化液膜沸騰與毛細蒸發(fā),創(chuàng)造了噴霧冷卻的換熱記錄。相關研究以“Record-high heat transfer performance of spray cooling on 3D-printed hierarchical micro/nano-structured surface”發(fā)表于《Science Bulletin》,華中科技大學博士生胡雍炎、雷逸凡為共同第一作者,劉修良副教授為共同通訊作者 。


本研究通過設計三維(3D)有序分級微/納結構表面,改善噴霧液滴蒸發(fā)與液膜沸騰性能,實現(xiàn)了CHF和HTC的同步增強。該分級結構優(yōu)化了噴霧液滴、毛細液膜和沸騰氣泡的傳輸路徑,從而提高了噴霧冷卻性能。研究中還觀察到了“沸騰反轉”現(xiàn)象,即隨著熱流密度增加,過熱度反而下降,這顯著促進了氣泡成核和蒸發(fā),帶來了超高的HTC。同時,突破了液-氣逆流限制,實現(xiàn)氣泡快速逃逸與液體滲透的協(xié)同作用,從而獲得了創(chuàng)紀錄的噴霧冷卻性能:在1 cm²加熱表面上,最大熱流密度達1273 W/cm²,HTC達443.7 kW/(m²·K)。

研究人員通過結合摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術(nanoArch® S130,精度: 2 μm)與模板輔助電沉積技術,設計并制造了三維有序分級微/納結構表面。該表面由對齊的空心三棱柱構成,其側壁上具有層疊微槽(厚度約為5 µm),這些微槽能夠作為液體傳輸?shù)拿毻ǖ,同時提供氣泡成核的活性點。此外,通過電沉積工藝,在表面形成直徑為0.1至2.8 µm的納米結構微腔,這些微腔在高熱流條件下作為氣泡成核點,持續(xù)促進成核沸騰。

噴霧冷卻實驗結果表明,分級微/納結構表面在高熱流密度條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱性能,成功克服了液-氣逆流問題,并實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的熱流密度和HTC。

圖1. 結構表面的噴霧冷卻示意圖。

圖2. 噴霧冷卻實驗系統(tǒng)。

圖3. 研究了在三維有序?qū)哟挝?納米結構表面上產(chǎn)生超高HTC的沸騰反轉機理。

圖4. 文獻中噴霧冷卻換熱性能與其他結構表面的比較。

總結:本文設計了一種創(chuàng)新的三維有序分級微/納結構表面,通過優(yōu)化噴霧冷卻的傳熱路徑,實現(xiàn)了同時提升CHF和HTC的目標。在1 cm²加熱表面上,最大熱流密度為1273 W/cm²,HTC為443.7 kW/(m²·K),分別比以往最高記錄提升了52.6%和173.9%。這一研究為高效熱管理技術提供了新的思路,未來有望廣泛應用于人工智能、電動汽車和航空航天等領域。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.10.028



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