創(chuàng)紀錄高傳熱性能！3D打印分級微/納結構表面大幅優(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域中，如何在高熱流密度條件下控制設備工作溫度已成為一項重要挑戰(zhàn)。噴霧冷卻結合了強制對流與工質相變潛熱，是一種具有高熱流散熱潛力的技術。然而，大多數噴霧冷卻增強研究通過提高噴霧流速來強化強制對流，以實現較高的臨界熱流密度（CHF），但這種方法通常會導致較低的傳熱系數（HTC）。盡管微/納結構表面能增強沸騰性能，但其內部容易形成氣膜，從而降低傳熱效率。

基于此，華中科技大學楊榮貴教授課題組結合微納3D打印與電沉積技術，制備了三維有序微納多級結構表面。該表面通過調控噴霧液滴、液膜和汽泡的協(xié)同輸運，同步強化液膜沸騰與毛細蒸發(fā)，創(chuàng)造了噴霧冷卻的換熱記錄。相關研究以“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 。

本研究通過設計三維（3D）有序分級微/納結構表面，改善噴霧液滴蒸發(fā)與液膜沸騰性能，實現了CHF和HTC的同步增強。該分級結構優(yōu)化了噴霧液滴、毛細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”現象，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)。

研究人員通過結合摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch® S130，精度： 2 μm）與模板輔助電沉積技術，設計并制造了三維有序分級微/納結構表面。該表面由對齊的空心三棱柱構成，其側壁上具有層疊微槽（厚度約為5 µm），這些微槽能夠作為液體傳輸的毛細通道，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的納米結構微腔，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。

噴霧冷卻實驗結果表明，分級微/納結構表面在高熱流密度條件下表現出優(yōu)異的傳熱性能，成功克服了液-氣逆流問題，并實現了創(chuàng)紀錄的熱流密度和HTC。

圖1. 結構表面的噴霧冷卻示意圖。

圖2. 噴霧冷卻實驗系統(tǒng)。

圖3. 研究了在三維有序層次微/納米結構表面上產生超高HTC的沸騰反轉機理。

圖4. 文獻中噴霧冷卻換熱性能與其他結構表面的比較。

總結：本文設計了一種創(chuàng)新的三維有序分級微/納結構表面，通過優(yōu)化噴霧冷卻的傳熱路徑，實現了同時提升CHF和HTC的目標。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提供了新的思路，未來有望廣泛應用于人工智能、電動汽車和航空航天等領域。

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