用于增强相变冷却的液体超扩散助推高性能喷射流沸腾技术

来源 | Advanced Materials

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背景介绍

通过设计微/纳米结构和调控表面润湿性来提高沸腾传热一直是人们普遍关注的话题，因为它在各种工业领域有着巨大的需求。通过利用工作流体（如氟化电子液体）沸腾的液体-蒸汽潜热交换实现的相变冷却，有利于将来大量技术或应用中的高功率密度电子设备的热管理，在包括5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等领域具有巨大的潜力。然而，沸腾传热作为一种动态的界面现象，对其包括液体再湿润和蒸汽离开等过程和机制的深入理解仍然具有挑战性。

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成果掠影

中国科学院理化技术研究所江雷院士、田野副研究员等人设计了一种含有周期性微槽/金字塔阵列的微/纳米结构铜表面，其上有机冷却剂的超扩散行为（<134.1 ms）极大地促进了液体再湿润过程，从而产生特化的、超快的射流沸腾现象，同时使临界热通量和传热系数分别提高了80%和608%。对喷射流沸腾微气泡的成核、生长和分离行为的原位观察表明，带有纳米皱纹的微型沟槽/金字塔通过超扩散诱导的超快液体再湿润和持续蒸汽膜凝聚促进了潜热交换过程。最后通过对超扩散微/纳米结构的优化，以超低电力使用效率（PUE<1.04）实现了高性能相变冷却在超级计算机中心CPU芯片热管理中的应用。该研究以题为“Liquid Super-Spreading Boosted High-Performance Jet-Flow Boiling for Enhancement of Phase-Change Cooling”的论文发表在《Advanced Materials》上。

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图文导读

图1 在微/纳米结构Cu表面上由超扩散促进的射流沸腾现象。

图2 表面上不同金字塔高度的射流沸腾换热性能。

图3 超扩散促进的微型射流沸腾气泡成核、生长和分离。

图4 基于超扩散增压射流沸腾表面的相变冷却性能及应用。

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