創(chuàng)紀(jì)錄高傳熱性能！3D打印分級微/納結(jié)構(gòu)表面大幅優(yōu)化噴霧冷卻傳熱路徑

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(lǐng)域中，如何在高熱流密度條件下控制設(shè)備工作溫度已成為一項重要挑戰(zhàn)。噴霧冷卻結(jié)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(shù)。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(dǎo)致較低的傳熱系數(shù)（HTC）。盡管微/納結(jié)構(gòu)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(xué)楊榮貴教授課題組結(jié)合微納3D打印與電沉積技術(shù)，制備了三維有序微納多級結(jié)構(gòu)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(xì)蒸發(fā)，創(chuàng)造了噴霧冷卻的換熱記錄。相關(guān)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(xué)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(shè)計三維（3D）有序分級微/納結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化了噴霧液滴、毛細(xì)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(zhuǎn)”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(jì)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(jié)合摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度： 2 μm）與模板輔助電沉積技術(shù)，設(shè)計并制造了三維有序分級微/納結(jié)構(gòu)表面。該表面由對齊的空心三棱柱構(gòu)成，其側(cè)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?xì)通道，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(jié)構(gòu)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(jié)果表明，分級微/納結(jié)構(gòu)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(jì)錄的熱流密度和HTC。

圖1. 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面上產(chǎn)生超高HTC的沸騰反轉(zhuǎn)機理。

圖4. 文獻中噴霧冷卻換熱性能與其他結(jié)構(gòu)表面的比較。

總結(jié)：本文設(shè)計了一種創(chuàng)新的三維有序分級微/納結(jié)構(gòu)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(biāo)。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(shù)提供了新的思路，未來有望廣泛應(yīng)用于人工智能、電動汽車和航空航天等領(lǐng)域。

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