● 摘要
随着各种电子元器件朝着体积小、重量轻的方向发展，其高热流密度的特征越来越明显，大量的热如果得不到及时排散，将直接影响元器件的工作稳定性和可靠性，甚至因过热而发生故障损坏、缩短其使用寿命，微槽道冷却技术正是解决高热流密度和微小型化散热问题的一个十分有效的手段。本论文从国内外研究现状的不足之处入手，设计搭建了密封性能良好的真空微槽道沸腾换热系统，进行了系统深入的实验研究。为同时实现高热流密度散热和被冷却器件低温的要求，本文采用系统压力低于常压的工况，分别采用工质水和FC-72，系统地分析了加热载荷、循环流量、系统压力和微槽道截面尺寸等因素对微槽道运行特性的影响，实验结果表明两种工质均能在保证电子设备温度低于90°C的情况下实现非常高的热流密度，但FC-72作工质时，极易出现烧干的情况，运行情况不如水稳定，难以确保设备安全、高效地运行，而采用工质水的情况相对稳定。在实验中发现：对于FC-72，热流密度及质量流速对换热系数的影响都非常大，换热系数在中、高质量流速下均出现了相同的趋势，即在低热流密度区换热系数随热流密度升高而升高，升高到一个峰值后再逐渐下降，且随着质量流速的增加，该峰值朝着更高热流密度和更低干度的方向推移，在高热流密度区换热系数的降低可能是由周期性的局部烧干引起的；对于水，在单相流体区，随着热流密度的升高，局部换热系数随热流密度有轻微的上升，到了过冷沸腾区，局部换热系数随着热流密度急剧升高，体现了过冷沸腾的优势，到了饱和沸腾区，局部换热系数基本保持在一个比较稳定的水平，并伴随周期性局部烧干的出现而有轻微波动和降低。本文还采用基于微槽道换热理论的换热系数模型对本实验中水和FC-72的实验数据进行拟合，并获得了新的流动沸腾换热系数关联式，采用该关联式与本实验的实验数据进行比较，平均绝对误差为8.32%，与本文实验数据吻合较好。针对系统压力对流动沸腾的影响，本文展开了系统的实验研究，实验结果表明对于FC-72，在负压和常压的条件下，换热系数随热流密度的变化趋势相似，但在负压下稍低，这可能与其所需要的壁面过热度有关；对于水，换热系数随系统压力增大而减小，其原因可能与沸腾的强度、工质的物性及与其它因素的交互作用有关。为了进一步增强微槽道中流动沸腾的换热效果，本论文还对添加了金纳米颗粒的溶液在微槽道中的流动沸腾进行了实验研究，实验结果表明添加纳米颗粒可以有效地降低槽道壁温、降低沸腾所需要的壁面过热度、提高换热系数、减小温度压力波动、提高临界热流密度，体现了添加纳米颗粒对换热的强化作用，此外，纳米颗粒的添加并未使槽道中的压降明显增大，有利于工程应用。