專利名稱：一種強化自由表面陣列射流換熱的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子器件熱控制方法，將高導熱性能納米流體引入自由表面陣列射流中，從而有效增強陣列射流換熱效果。
背景技術：
射流沖擊冷卻的原理是流體通過一定形狀的噴嘴(圓形或狹縫形)直接噴射到被冷卻表面，由于流程短，流速高，在換熱表面上形成很大的壓力，射流沖擊駐點區(qū)附近的邊界層變得很薄，因而具有極高的換熱效率，相比于常規(guī)的對流換熱技術，射流冷卻技術的沖擊換熱系數(shù)要高幾倍甚至是一個數(shù)量級。對比文獻1 (Fabbri Metteo, Dhir Vijay K. , Optimized heat transfer for high power electronic cooling using arrays of microjets, 127(2005) : 760-769.)利用微型孔陣列實驗研究了陣列射流的散熱能力，證明陣列射流是一種極為有效的電子器件散熱方法。但是目前實驗研究大量使用的是低導熱性能的工質，如對比文獻1中實驗工質為水，而高導熱性能的工質必能帶來更高的換熱性能。自從納米流體(對比文獻 2 Choi SUS, Enhancing thermal conductivity of fluids with nano-particles . American Society of Mechanical Engineering, 231(1995) : 992103.)被提出后，各國學者對其導熱能力、粘度等進行了研究，研究證明了納米流體對強化換熱貢獻，但未有人將陣列射流和納米流體相結合，從而增強陣列射流的換熱性能，為未來大功率電器的散熱提高有效的技術支持。本方法將納米流體引入自由表面陣列射流中，將納米流體的高導熱能力和對換熱的強化作用和自由表面陣列射流極高的對流換熱性能相結合，有效提高了陣列射流的沖擊換熱能力，從而更加有效的滿足更高熱流密度電子器件的散熱需求，有效控制電子器件的表面溫度，滿足未來大功率電子器件的工作溫度需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有陣列射流技術中存在換熱性能較低等問題，提供一種能夠應用于高熱流密度條件下電子器件散熱的方法，提高了電子器件的散熱能力，保證電子器件的安全運行。將高導熱性能的納米流體引入自由表面陣列射流中，選擇高導熱性能的金屬/金屬氧化物納米流體，利用納米流體的高導熱性能和強化換熱作用，有效提高陣列射流系統(tǒng)的換熱能力，從而獲得更高的換熱效果。實現(xiàn)本發(fā)明的技術解決方案為
一種強化自由表面陣列射流換熱的方法，包括以下具體步驟
(1)選擇具有高導熱性能和高分散性能的納米粒子；
(2)制備納米流體；
(3)優(yōu)化自由表面陣列射流系統(tǒng)；(4)將制備好的納米流體加入自由表面陣列射流系統(tǒng)，調節(jié)工作環(huán)境，進行自由表面陣列射流換熱。第(1)步所述的高導熱性能和高分散性能的納米粒子為金屬/金屬氧化物納米粒子，優(yōu)選銅、鋁或者其氧化物。第(2)步所述的納米流體采用經(jīng)典的兩步法制備，所述的納米流體的濃度為 0. 17-1. 34Vol. %。第(3)步所述的優(yōu)化陣列射流系統(tǒng)即為優(yōu)化換熱設備本體，換熱本體的優(yōu)化要求相鄰射流孔間距S和射流孔直徑D比值范圍為3-10，沖擊間距H和射流孔直徑比值為 3. 5-15，射流孔直徑范圍為0. 5mm-3. Omm ；同時換熱表面刻槽強化換熱能力，槽深h選值為 0. 5mm-1. 5mm，槽寬 d 選值為 0. 5mm_2. 0mm,槽間距 ρ 選值為 0. 5mm_2. 0mm。在第(2)步中，為了達到更好的分散效果，采用十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，所述的十二烷基苯磺酸鈉的添加量為0-0.1%。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是
1、實驗工質為納米流體，比普通工質具有更高的導熱能力；
2、納米流體中納米粒子的無規(guī)則運動有助于熱量在流體中傳遞，將有助于提高發(fā)熱體表面溫度的均勻性；
3、納米流體中納米粒子沖擊換熱表面，提高自由表面陣列射流的換熱能力。


圖1是本發(fā)明實施例1納米流體作為散熱工質對熱流密度為50W/cm2的換熱表面進行散熱實驗的換熱效果圖。圖2是本發(fā)明實施例2納米流體作為散熱工質對熱流密度為50W/cm2的換熱表面進行散熱實驗的換熱效果圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述。本方法將納米流體引入自由表面陣列射流中，包括納米流體的選擇，自由表面陣列射流環(huán)境以及工作條件。實現(xiàn)本方法主要表現(xiàn)在納米流體的選擇以及工作條件的控制。(1)選擇具有高導熱性能和高分散性能的銅、鋁或者其氧化物納米粒子；(2)利用經(jīng)典的兩步法制備濃度為 0. 17-1. 34Vol. %的納米流體，考察納米流體的穩(wěn)定性和分散性，確保所制備的納米流體可以長時間安全使用；(3)優(yōu)化自由表面陣列射流系統(tǒng)，強化系統(tǒng)換熱能力，換熱本體的優(yōu)化要求相鄰射流孔間距S和射流孔直徑D比值范圍為1. 5-10，沖擊間距H和射流孔直徑比值為3. 5-15，射流孔直徑范圍為0. 5mm-3. Omm ；同時換熱表面刻槽強化換熱能力，槽深h選值為0. 5mm-1. 5mm，槽寬d選值為0. 5mm_2. 0mm，槽間距ρ選值為0. 5mm_2. Omm ； (4)將制備好的納米流體加入自由表面陣列射流系統(tǒng)，調節(jié)工作環(huán)境，進行自由表面陣列射流換熱。實施例1
1、量取乙二醇和去離子水各1.5L,充分混合均勻，制成1:1的乙二醇-水溶液；
2、稱取120g平均直徑50nm的金屬銅納米粒子，將其加入乙二醇-水溶液中，將其放入超聲設備中超聲4h，同時進行機械攪拌，制備出體積分數(shù)為0. 56%的銅-乙二醇-水納米流體，此即兩步法制備納米流體；
3、優(yōu)化系統(tǒng)，對系統(tǒng)管內進行保溫處理，調節(jié)換熱設備，選擇射流孔直徑為1.5mm，S/D 為3，H/D為7 ；表面刻槽，槽深0. 5mm,槽寬0. 5mm,槽間距0. 5mm,調節(jié)射流孔位置，保證陣列射流孔正對換熱表面中心；
4、將制備的納米流體加入實驗系統(tǒng)，調節(jié)實驗溫度至15°C，換熱工質流量0.144m3/h, 模擬熱源加熱至50W/cm2，，開始換熱實驗。其換熱效果如圖1所示，將納米流體引入自由表面陣列射流中，與未使用納米流體相比，系統(tǒng)換熱性能有很大的提高，最高提升幅度達到了 18. 5%，顯示了使用納米流體作為工質的優(yōu)越性。同時，圖1也說明了過高的納米粒子份額可能會引起換熱性能的下降，因此選擇合適的納米粒子種類和份額是非常關鍵的因素。實施例2
1、量取去離子水3L，稱取38g平均直徑25nm的金屬銅納米粒子，將其加入去離子水中，同時添加質量分數(shù)0. 05%的十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，將其放入超聲設備中超聲 4h，同時進行機械攪拌，制備出體積分數(shù)為0. 17%的銅-水納米流體；
2、優(yōu)化系統(tǒng)，對系統(tǒng)管內進行保溫處理，調節(jié)換熱設備，選擇射流孔直徑為3.0mm, S/D 為1. 5，H/D為5 ；表面刻槽，槽深1. 0mm，槽寬0. 5mm，槽間距0. 5mm，調節(jié)射流孔位置，保證陣列射流孔正對換熱表面中心；
3、將制備的納米流體加入實驗系統(tǒng)，調節(jié)實驗溫度至21°C，換熱工質流量0.22m3/h，模擬熱源加熱至49W/cm2，，開始換熱實驗。其換熱效果如圖2所示例如，從圖2可以得出，將納米流體引入自由表面陣列射流中，與未使用納米流體相比，系統(tǒng)換熱性能有很大的提高，最高提升幅度達到了 6. 5%，但是體積份額較低時可能無法獲得有效的強化作用。圖2也說明分散劑會影響納米流體的換熱能力。實施例3
1、量取去離子水3L，稱取79g平均直徑50nm的氧化銅納米粒子，將其加入去離子水中，同時添加質量分數(shù)0. 1%的十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，將其放入超聲設備中超聲 4h，同時進行機械攪拌，制備出體積分數(shù)為0. 33%的氧化銅-水納米流體；
2、優(yōu)化系統(tǒng)，對系統(tǒng)管內進行保溫處理，調節(jié)換熱設備，選擇射流孔直徑為0.5mm, S/D 為10，H/D為15 ；表面刻槽，槽深1. 5mm，槽寬2. 0mm，槽間距2. 0mm，調節(jié)射流孔位置，保證陣列射流孔正對換熱表面中心；
3、將制備的納米流體加入實驗系統(tǒng)，調節(jié)實驗溫度至20°C，換熱工質流量0.197m3/h, 模擬熱源加熱至50W/cm2，開始換熱實驗。利用上述方法進行換熱實驗，與未使用納米流體相比，系統(tǒng)換熱性能最高提升幅度達到了 4. 3%。實施例4
1、量取去離子水3L，稱取MOg平均直徑50nm的金屬鋁納米粒子，將其加入去離子水中，同時添加質量分數(shù)0. 05%的十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，將其放入超聲設備中超聲 4h，同時進行機械攪拌，制備出體積分數(shù)為1. 343 %的氧化銅-水納米流體；2、優(yōu)化系統(tǒng)，對系統(tǒng)管內進行保溫處理，調節(jié)換熱設備，選擇射流孔直徑為1.5mm，S/D 為3，H/D為7 ；表面刻槽，槽深1. 0mm，槽寬1. 5mm，槽間距1. 5mm，調節(jié)射流孔位置，保證陣列射流孔正對換熱表面中心；
3、將制備的納米流體加入實驗系統(tǒng)，調節(jié)實驗溫度至20°C，換熱工質流量0.197m3/h, 模擬熱源加熱至50W/cm2，開始換熱實驗。利用上述方法進行換熱實驗，與未使用納米流體相比，系統(tǒng)換熱性能最高提升幅度達到了 8. 4%。實施例5
1、量取去離子水3L，稱取139g平均直徑50nm的氧化鋁納米粒子，將其加入去離子水中，同時添加質量分數(shù)0. 05%的十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，將其放入超聲設備中超聲 4h，同時進行機械攪拌，制備出體積分數(shù)為0. 746%的氧化銅-水納米流體；
2、優(yōu)化系統(tǒng)，對系統(tǒng)管內進行保溫處理，調節(jié)換熱設備，選擇射流孔直徑為1.0mm，S/D 為5，H/D為10，表面刻槽，槽深1. 5mm，槽寬1. 5mm，槽間距1. 5mm，調節(jié)射流孔位置，保證陣列射流孔正對換熱表面中心；
3、將制備的納米流體加入實驗系統(tǒng)，調節(jié)實驗溫度至21°C，換熱工質流量0.172m3/h, 模擬熱源加熱至50W/cm2，開始換熱實驗。利用上述方法進行換熱實驗，與未使用納米流體相比，系統(tǒng)換熱性能最高提升幅度達到了 5. 1%。
權利要求
1.一種強化自由表面陣列射流換熱的方法，其特征是所述方法包括以下步驟第1步、選擇具有高導熱性能和高分散性能的納米粒子；第2步、制備納米流體；第3步、優(yōu)化自由表面陣列射流系統(tǒng)；第4步、將制備好的納米流體加入自由表面陣列射流系統(tǒng)，調節(jié)工作環(huán)境，進行自由表面陣列射流換熱。
2.根據(jù)權利要求1所述的強化自由表面陣列射流換熱的方法，其特征是第1步中所述的高導熱性能和高分散性能的納米粒子為金屬/金屬氧化物納米粒子，優(yōu)選銅、鋁或其氧化物。
3.根據(jù)權利要求1所述的強化自由表面陣列射流換熱的方法，其特征是第2步中所述的納米流體采用經(jīng)典的兩步法制備，所述的納米流體的濃度為0. 17-1. 34Vol. %。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的強化自由表面陣列射流換熱的方法，其特征是在第2步制備納米流體過程中采用十二烷基苯磺酸鈉作為分散劑，所述的十二烷基苯磺酸鈉的添加量為 0-0. 1%。
5.根據(jù)權利要求1所述的強化自由表面陣列射流換熱的方法，其特征是第3步中所述的優(yōu)化陣列射流系統(tǒng)即為優(yōu)化換熱設備本體，要求相鄰射流孔間距S和射流孔直徑D比值范圍為3-10，沖擊間距H和射流孔直徑比值為3. 5-15，射流孔直徑范圍為0. 5mm_3. Omm ；同時換熱表面刻槽強化換熱能力，槽深h選值為0. 5mm-l. 5mm,槽寬d選值為0. 5mm_2. 0mm,槽間距P選值為0. 5mm-2. 0mm。
全文摘要
本發(fā)明針對現(xiàn)有陣列射流技術中存在換熱性能較低等問題，提供一種能夠應用于高熱流密度條件下電子器件散熱的方法，提高了電子器件的散熱能力，保證電子器件的安全運行。本發(fā)明將高導熱性能的納米流體引入自由表面陣列射流中，選擇高導熱性能的金屬/金屬氧化物納米流體，利用納米流體的高導熱性能和強化換熱作用，有效提高陣列射流系統(tǒng)的換熱能力，從而獲得更高的換熱效果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是1、實驗工質為納米流體，比普通工質具有更高的導熱能力；2、納米流體中納米粒子的無規(guī)則運動有助于熱量在流體中傳遞，將有助于提高發(fā)熱體表面溫度的均勻性；3、納米流體中納米粒子沖擊換熱表面，提高自由表面陣列射流的換熱能力。
文檔編號H05K7/20GK102573422SQ20121001233
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權日2012年1月16日
發(fā)明者宣益民, 李強, 鐵鵬 申請人:南京理工大學