专利名称：一种强化自由表面阵列射流换热的方法
技术领域：
本发明属于电子器件热控制方法，将高导热性能纳米流体引入自由表面阵列射流中，从而有效增强阵列射流换热效果。
背景技术：
射流冲击冷却的原理是流体通过一定形状的喷嘴(圆形或狭缝形)直接喷射到被冷却表面，由于流程短，流速高，在换热表面上形成很大的压力，射流冲击驻点区附近的边界层变得很薄，因而具有极高的换热效率，相比于常规的对流换热技术，射流冷却技术的冲击换热系数要高几倍甚至是一个数量级。对比文献1 (Fabbri Metteo, Dhir Vijay K. , Optimized heat transfer for high power electronic cooling using arrays of microjets, 127(2005) : 760-769.)利用微型孔阵列实验研究了阵列射流的散热能力，证明阵列射流是一种极为有效的电子器件散热方法。但是目前实验研究大量使用的是低导热性能的工质，如对比文献1中实验工质为水，而高导热性能的工质必能带来更高的换热性能。自从纳米流体(对比文献 2 Choi SUS, Enhancing thermal conductivity of fluids with nano-particles . American Society of Mechanical Engineering, 231(1995) : 992103.)被提出后，各国学者对其导热能力、粘度等进行了研究，研究证明了纳米流体对强化换热贡献，但未有人将阵列射流和纳米流体相结合，从而增强阵列射流的换热性能，为未来大功率电器的散热提高有效的技术支持。本方法将纳米流体引入自由表面阵列射流中，将纳米流体的高导热能力和对换热的强化作用和自由表面阵列射流极高的对流换热性能相结合，有效提高了阵列射流的冲击换热能力，从而更加有效的满足更高热流密度电子器件的散热需求，有效控制电子器件的表面温度，满足未来大功率电子器件的工作温度需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有阵列射流技术中存在换热性能较低等问题，提供一种能够应用于高热流密度条件下电子器件散热的方法，提高了电子器件的散热能力，保证电子器件的安全运行。将高导热性能的纳米流体引入自由表面阵列射流中，选择高导热性能的金属/金属氧化物纳米流体，利用纳米流体的高导热性能和强化换热作用，有效提高阵列射流系统的换热能力，从而获得更高的换热效果。实现本发明的技术解决方案为
一种强化自由表面阵列射流换热的方法，包括以下具体步骤
(1)选择具有高导热性能和高分散性能的纳米粒子；
(2)制备纳米流体；
(3)优化自由表面阵列射流系统；(4)将制备好的纳米流体加入自由表面阵列射流系统，调节工作环境，进行自由表面阵列射流换热。第(1)步所述的高导热性能和高分散性能的纳米粒子为金属/金属氧化物纳米粒子，优选铜、铝或者其氧化物。第(2)步所述的纳米流体采用经典的两步法制备，所述的纳米流体的浓度为 0. 17-1. 34Vol. %。第(3)步所述的优化阵列射流系统即为优化换热设备本体，换热本体的优化要求相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围为3-10，冲击间距H和射流孔直径比值为 3. 5-15，射流孔直径范围为0. 5mm-3. Omm ；同时换热表面刻槽强化换热能力，槽深h选值为 0. 5mm-1. 5mm，槽宽 d 选值为 0. 5mm_2. 0mm,槽间距 ρ 选值为 0. 5mm_2. 0mm。在第(2)步中，为了达到更好的分散效果，采用十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，所述的十二烷基苯磺酸钠的添加量为0-0.1%。本发明与现有技术相比，其显著优点是
1、实验工质为纳米流体，比普通工质具有更高的导热能力；
2、纳米流体中纳米粒子的无规则运动有助于热量在流体中传递，将有助于提高发热体表面温度的均勻性；
3、纳米流体中纳米粒子冲击换热表面，提高自由表面阵列射流的换热能力。
图1是本发明实施例1纳米流体作为散热工质对热流密度为50W/cm2的换热表面进行散热实验的换热效果图。图2是本发明实施例2纳米流体作为散热工质对热流密度为50W/cm2的换热表面进行散热实验的换热效果图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步描述。本方法将纳米流体引入自由表面阵列射流中，包括纳米流体的选择，自由表面阵列射流环境以及工作条件。实现本方法主要表现在纳米流体的选择以及工作条件的控制。(1)选择具有高导热性能和高分散性能的铜、铝或者其氧化物纳米粒子；(2)利用经典的两步法制备浓度为 0. 17-1. 34Vol. %的纳米流体，考察纳米流体的稳定性和分散性，确保所制备的纳米流体可以长时间安全使用；(3)优化自由表面阵列射流系统，强化系统换热能力，换热本体的优化要求相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围为1. 5-10，冲击间距H和射流孔直径比值为3. 5-15，射流孔直径范围为0. 5mm-3. Omm ；同时换热表面刻槽强化换热能力，槽深h选值为0. 5mm-1. 5mm，槽宽d选值为0. 5mm_2. 0mm，槽间距ρ选值为0. 5mm_2. Omm ； (4)将制备好的纳米流体加入自由表面阵列射流系统，调节工作环境，进行自由表面阵列射流换热。实施例1
1、量取乙二醇和去离子水各1.5L,充分混合均勻，制成1:1的乙二醇-水溶液；
2、称取120g平均直径50nm的金属铜纳米粒子，将其加入乙二醇-水溶液中，将其放入超声设备中超声4h，同时进行机械搅拌，制备出体积分数为0. 56%的铜-乙二醇-水纳米流体，此即两步法制备纳米流体；
3、优化系统，对系统管内进行保温处理，调节换热设备，选择射流孔直径为1.5mm，S/D 为3，H/D为7 ；表面刻槽，槽深0. 5mm,槽宽0. 5mm,槽间距0. 5mm,调节射流孔位置，保证阵列射流孔正对换热表面中心；
4、将制备的纳米流体加入实验系统，调节实验温度至15°C，换热工质流量0.144m3/h, 模拟热源加热至50W/cm2，，开始换热实验。其换热效果如图1所示，将纳米流体引入自由表面阵列射流中，与未使用纳米流体相比，系统换热性能有很大的提高，最高提升幅度达到了 18. 5%，显示了使用纳米流体作为工质的优越性。同时，图1也说明了过高的纳米粒子份额可能会引起换热性能的下降，因此选择合适的纳米粒子种类和份额是非常关键的因素。实施例2
1、量取去离子水3L，称取38g平均直径25nm的金属铜纳米粒子，将其加入去离子水中，同时添加质量分数0. 05%的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，将其放入超声设备中超声 4h，同时进行机械搅拌，制备出体积分数为0. 17%的铜-水纳米流体；
2、优化系统，对系统管内进行保温处理，调节换热设备，选择射流孔直径为3.0mm, S/D 为1. 5，H/D为5 ；表面刻槽，槽深1. 0mm，槽宽0. 5mm，槽间距0. 5mm，调节射流孔位置，保证阵列射流孔正对换热表面中心；
3、将制备的纳米流体加入实验系统，调节实验温度至21°C，换热工质流量0.22m3/h，模拟热源加热至49W/cm2，，开始换热实验。其换热效果如图2所示例如，从图2可以得出，将纳米流体引入自由表面阵列射流中，与未使用纳米流体相比，系统换热性能有很大的提高，最高提升幅度达到了 6. 5%，但是体积份额较低时可能无法获得有效的强化作用。图2也说明分散剂会影响纳米流体的换热能力。实施例3
1、量取去离子水3L，称取79g平均直径50nm的氧化铜纳米粒子，将其加入去离子水中，同时添加质量分数0. 1%的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，将其放入超声设备中超声 4h，同时进行机械搅拌，制备出体积分数为0. 33%的氧化铜-水纳米流体；
2、优化系统，对系统管内进行保温处理，调节换热设备，选择射流孔直径为0.5mm, S/D 为10，H/D为15 ；表面刻槽，槽深1. 5mm，槽宽2. 0mm，槽间距2. 0mm，调节射流孔位置，保证阵列射流孔正对换热表面中心；
3、将制备的纳米流体加入实验系统，调节实验温度至20°C，换热工质流量0.197m3/h, 模拟热源加热至50W/cm2，开始换热实验。利用上述方法进行换热实验，与未使用纳米流体相比，系统换热性能最高提升幅度达到了 4. 3%。实施例4
1、量取去离子水3L，称取MOg平均直径50nm的金属铝纳米粒子，将其加入去离子水中，同时添加质量分数0. 05%的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，将其放入超声设备中超声 4h，同时进行机械搅拌，制备出体积分数为1. 343 %的氧化铜-水纳米流体；2、优化系统，对系统管内进行保温处理，调节换热设备，选择射流孔直径为1.5mm，S/D 为3，H/D为7 ；表面刻槽，槽深1. 0mm，槽宽1. 5mm，槽间距1. 5mm，调节射流孔位置，保证阵列射流孔正对换热表面中心；
3、将制备的纳米流体加入实验系统，调节实验温度至20°C，换热工质流量0.197m3/h, 模拟热源加热至50W/cm2，开始换热实验。利用上述方法进行换热实验，与未使用纳米流体相比，系统换热性能最高提升幅度达到了 8. 4%。实施例5
1、量取去离子水3L，称取139g平均直径50nm的氧化铝纳米粒子，将其加入去离子水中，同时添加质量分数0. 05%的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，将其放入超声设备中超声 4h，同时进行机械搅拌，制备出体积分数为0. 746%的氧化铜-水纳米流体；
2、优化系统，对系统管内进行保温处理，调节换热设备，选择射流孔直径为1.0mm，S/D 为5，H/D为10，表面刻槽，槽深1. 5mm，槽宽1. 5mm，槽间距1. 5mm，调节射流孔位置，保证阵列射流孔正对换热表面中心；
3、将制备的纳米流体加入实验系统，调节实验温度至21°C，换热工质流量0.172m3/h, 模拟热源加热至50W/cm2，开始换热实验。利用上述方法进行换热实验，与未使用纳米流体相比，系统换热性能最高提升幅度达到了 5. 1%。
权利要求
1.一种强化自由表面阵列射流换热的方法，其特征是所述方法包括以下步骤第1步、选择具有高导热性能和高分散性能的纳米粒子；第2步、制备纳米流体；第3步、优化自由表面阵列射流系统；第4步、将制备好的纳米流体加入自由表面阵列射流系统，调节工作环境，进行自由表面阵列射流换热。
2.根据权利要求1所述的强化自由表面阵列射流换热的方法，其特征是第1步中所述的高导热性能和高分散性能的纳米粒子为金属/金属氧化物纳米粒子，优选铜、铝或其氧化物。
3.根据权利要求1所述的强化自由表面阵列射流换热的方法，其特征是第2步中所述的纳米流体采用经典的两步法制备，所述的纳米流体的浓度为0. 17-1. 34Vol. %。
4.根据权利要求1或3所述的强化自由表面阵列射流换热的方法，其特征是在第2步制备纳米流体过程中采用十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，所述的十二烷基苯磺酸钠的添加量为 0-0. 1%。
5.根据权利要求1所述的强化自由表面阵列射流换热的方法，其特征是第3步中所述的优化阵列射流系统即为优化换热设备本体，要求相邻射流孔间距S和射流孔直径D比值范围为3-10，冲击间距H和射流孔直径比值为3. 5-15，射流孔直径范围为0. 5mm_3. Omm ；同时换热表面刻槽强化换热能力，槽深h选值为0. 5mm-l. 5mm,槽宽d选值为0. 5mm_2. 0mm,槽间距P选值为0. 5mm-2. 0mm。
全文摘要
本发明针对现有阵列射流技术中存在换热性能较低等问题，提供一种能够应用于高热流密度条件下电子器件散热的方法，提高了电子器件的散热能力，保证电子器件的安全运行。本发明将高导热性能的纳米流体引入自由表面阵列射流中，选择高导热性能的金属/金属氧化物纳米流体，利用纳米流体的高导热性能和强化换热作用，有效提高阵列射流系统的换热能力，从而获得更高的换热效果。本发明与现有技术相比，其显著优点是1、实验工质为纳米流体，比普通工质具有更高的导热能力；2、纳米流体中纳米粒子的无规则运动有助于热量在流体中传递，将有助于提高发热体表面温度的均匀性；3、纳米流体中纳米粒子冲击换热表面，提高自由表面阵列射流的换热能力。
文档编号H05K7/20GK102573422SQ20121001233
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者宣益民, 李强, 铁鹏 申请人:南京理工大学