納電極陣液體冷媒放電中的熱傳過程及其冷卻效應研究

《納電極陣液體冷媒放電中的熱傳過程及其冷卻效應研究》是依託上海交通大學，由侯中宇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納電極陣液體冷媒放電中的熱傳過程及其冷卻效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：侯中宇
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

散熱問題是長期困擾微納器件套用的瓶頸問題，本項目提出研究納電極陣液態冷媒放電熱傳過程及其冷卻效應，通過納電極陣在固液界面處獨特的力學效應、熱學效應和電學效應，在更低的載入電壓下實現液態冷媒的對流、發泡和電離過程，從而實現一種新型的對流-相變耦合的冷卻方式，大幅提高液冷系統的散熱效率。研究納電極陣在液態冷媒放電中的界面過程、相變過程、流體過程、電離過程所決定的獨特熱傳現象，在微納尺度傳熱研究中提出了新的科學問題；研究液態冷媒中利用納電極陣放電驅動的可控對流和發泡效應實現對流-相變耦合散熱，拓展和豐富了微納冷卻技術的研究領域；研究利用微納加工技術實現納電極陣液態冷媒放電冷卻系統的集成製造，有望形成一種高效能、無微機械運動部件的新型MEMS液冷器件。本項目的研究能夠在理論上明確納電極陣液體放電過程中的熱傳機制及其冷卻效能的描述和控制方法，為驗證和實現一種新型的MEMS冷卻技術提供理論基礎。

結題摘要

本項目研究工作從理論和實驗研究兩個方面，表征和解析液體中由荷電納米線與液體相互作用導致的相變過程和電離過程，進而探索其中的熱傳與冷卻效應。在理論上，基於對連續介質相變和等離子化過程的描述，提出觀點認為：在荷電納米結構的作用下，當納米結構尺度條件滿足空泡化臨界條件要求，液態冷媒將在單個量子線納米結構電場作用下產生介觀尺度的空泡，對於滿足這一理論條件的納米結構的巨觀體（納電極陣），這一過程將導致超空泡的形成或介觀尺度空泡群簇的形成。巨觀空泡化過程的總通量和尺度分布特徵與電壓的時變特性有關，具備一定的可控性。空泡在形成過程中，低壓區氣體放電在確定條件下可形成單極性準電漿狀態，等離子化空泡在外電場和壓強梯度共同作用下，能夠有力促進液態冷媒熱緻密度梯度驅動的自然對流效應。此外，單根量子線在介質中產生的極化作用和放電過程，作為作用於氣體和液體的普遍性過程，將進一步強化自然對流散熱的效率。基於此，推導建立起以自然對流為基礎理論框架的液態冷媒中荷電納電極陣跨態相變熱傳模型，經過簡化，對無空泡化過程的氣體中的熱傳過程同樣適用。在理論研究的指導下，開展了大量的實驗研究工作。在關鍵實驗技術上，針對兩大瓶頸問題：納電極陣實驗樣品的可重現性問題和液態冷媒的電導控制問題，開展了技術攻關，完成了基本現象的表征。為驗證理論預期，在無空泡氣體中驗證了荷電納電極陣強化散熱過程的基本機理，與傳統荷電流體系統相比，相同工況下效率可提高5~10倍，最低功耗優於10-5W/cm2，可在準電中性條件下工作。該項目研究所呈現的物理現象十分新穎有趣，根據理論預期，荷電納電極陣等離子化空泡驅動下的液態冷媒散熱能夠在10-6W/cm2功耗下達到優於10-3oC/W的熱阻率水平，並且系統體積微小、工作迴路全封閉，套用前景廣泛。限於條件和認識水平，對這一複雜過程實驗系統誤差的辨識尚不充分，並且缺乏技術手段直接觀察介觀尺度空泡的形成和運動，相關研究工作在結題後還將持續深入進行。