射流阵列冲击冷却
本期给大家带来的是关于射流阵列冲击冷却研究内容，希望对大家有帮助。
我们在寻找增加高功率电子产品的传热的方法时，发现每种解决方案都有一系列问题。一种很有前途的冷却技术是使用射流撞击，它引导一个小但高速的气流进入撞击表面。与散热器上的层流相比，这导致边界层更薄，因此在射流区域的传热量增加。
问题是，喷气机只冷却了一个很小的区域。为了在更广泛的区域上使用射流撞击，已经使用了各种配置的射流阵列。这种方法的一个问题是，从撞击区域流出的空气会降低相邻喷流的性能，这种效应被称为交叉流。
研究不同撞击距离与射流直径的影响，结果发现，如果撞击距离太小，那么流出的气流对它通过的喷流有很大的影响。
如果撞击距离太大，那么喷流就会因为距离而失去效力，而喷流往往在遇到撞击表面之前就被吹到下游。
测试中，射流直径为1/4英寸，Z/D之比代表射流高度与直径之比。射流的特征是雷诺数。
如图1所示，比值Z/D=3是所有雷诺数的最优比值，如生成的纽塞尔数所示。在他的测试中，出口的气流是从左到右的。
在图1(c)中，也可以看到，由于交叉流，射流略微向右移动，呈细长形状。
图1：喷射冲击高度的比较
图1中的测试还显示，朝向阵列外部部分的射流比位于中心的射流受到的影响更大。因为空气在阵列的边缘流出，所以交叉流对位于边缘上的喷流的影响更大。
为了减少交叉流对射流冲击的影响，测试了在射流之间放置出口流路径的冲击射流。包含槽形喷流和排水口的板如下图2所示。
除了使用射流撞击来增加传热外，使用一种可以通过煮沸去除热量的液体。因此，排水腔比喷嘴要大得多。大型的排水沟也确保了不会发生交叉流动。
图2：喷嘴和排水系统配置
测试了各种几何图形，详见下表1。试样是一个20x20毫米的硅芯片，带有一个14x14毫米的加热器。
由于这些试验使用了相变液体冷却，因此散热量相当高，在发生临界热通量时的冷却极限处可达约320 W。
超过这一点，沸腾的冷却剂将使组分免受液体流动的影响，其温度就会迅速上升。在85ºC的成分温度极限下，研究人员能够以高达92瓦/厘米2的速度去除热量。
表1.射流和排水几何图
几何图形d2被发现是最有效的，因为所有的几何图形在低流量下表现相当，但d2几何图形在高流量下表现更好。
这并不奇怪，因为射流入口和出口端口相对较大，并且配置从入口到出口的压降最低。结果见下面的图3和图4，所列出的流量描述了到整个射流阵列的流量。冷却液的入口温度保持在20ºC。
图3-1.0l/min流量条件下的性能
图4-1.5l/min流量条件下的性能
值得注意的是，最高的射流速度并不总是产生最佳的性能；在具有最高流量的测试中，如图4所示，配置D3的性能不如其他几何图形。
D3中的喷流具有最小的入口尺寸和最高的速度，但似乎是喷流在到达撞击表面之前就被周围的流体减慢了。
在这种情况下使用的冷却液体是FC72，一种由3M专门制造的用于热管理的工程流体。这种流体线适用于电子冷却，因为它们是无毒的，电绝缘的，并且可以获得不同的粘度和沸点。
在这些测试中使用的FC72有一个公布的沸点为56ºC，但在测试中，当结温度在75ºC左右时，沸腾就开始了。在图3中可以看到在Tchip-Tliq左右，沸腾的影响，随着液相到气相的变化，吸收更多的热量，线的斜率增加。
在低流量下，当射流更靠近撞击面时，传热效果更好。因为在这种情况下，一个小的间隙会导致交叉流，对射流质量产生负面影响。
当这种交叉流被消除或减少时，就可以实现较低的射流高度的好处，包括更好的传热和更少的流量。此外，跨阵列的射流的性能应该更加一致，最大限度地减少整个组件的温度梯度和它们可能引起的热应力。
此外，在这些测试中观察到的功耗非常低。小于1W用于泵送工作液，部分原因是低压降通过冲击板。
进一步的研究可以通过使用不同的工作流体，或通过增加冲击表面的表面处理来进一步提高该系统的性能。
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