研究 | 低功率声学增强紧凑型热交换器，为电子设备的高效冷却提供新方案

科技 2024-12-24 18:31 江苏

在电子设备运行过程中，热量积聚问题突出，高效冷却系统的研发至关重要。基于微通道的两相冷却技术虽具潜力，但仍需进一步优化。传统声学增强沸腾传热技术存在超声换能器体积大、高功率下热积累及临界热流密度增强有限等缺陷。

基于上述背景，西安交通大学化学工程与技术学院的研究团队成功设计并制造了一种创新的低功率声学增强紧凑型热交换器（acoustic-enabled low-power compact heat exchanger，ALCHE）。

这项技术通过声学场加速气泡脱离和迁移，显著提高了热交换器的热通量和热传递系数（HTC），为电子设备的高效冷却提供了新方案。这项研究成果发表在 Communications Physics 上。

图1：ALCHE的制造与发展。a是ALCHE的示意图，由盖板、微通道、硅片和压电陶瓷组成。b是ALCHE内部热交换过程的示意图。压电陶瓷与热交换器的进口侧粘合。c是超声波换能器和压电陶瓷的物理图。d是声波对流动沸腾传热过程的影响示意图。冷流体（蓝色）从硅晶片吸收热量，转变为微通道内的热流体（红色）。在此过程中，硅晶片上方的热量吸收引起气泡的形成。由压电陶瓷产生的声波改变了气泡的行为。e是声波对气泡加速效应的示意图。图中的蓝色圆圈代表气泡，圆圈的阴影表示气泡的加速运动。

该热交换器采用薄压电陶瓷制作而成，其结构包含透明盖板、微通道基板、硅片和压电陶瓷片。其中，透明盖板由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成，尺寸为 30mm×70mm×1mm；微通道基板采用环氧玻璃纤维制作，大小是 30mm×100mm×2mm；硅片为 P 掺杂 N 型，规格为 20mm×10mm×0.5mm；压电陶瓷片由锆钛酸铅（PZT）制成，尺寸是 30mm×40mm×1mm。

这些部件通过粘合剂紧密贴合，确保了流动过程的密封性和声传播的有效性。硅片通过两侧的铜电极加热，其制作过程包括用等离子枪清洁表面、溅射钛层作为粘结层以及溅射铜电极等步骤，硅片底部还用绝热粘合剂密封以减少热损失。

实验表明，在不同流速下，ALCHE 所产生的低功率声场对 CHF 和最大 HTC 有显著增强效果。在 0.1 m/s 流速时，1.5kHz、7.5W 的声场可使 CHF 和最大 HTC 分别提升 42.1% 和 38.1%，且对压降无不良影响。

这是因为在流动沸腾过程中，冷却液在微通道内与硅片进行热交换，硅片表面形成大量气泡，压电陶瓷产生的声场能有效调节气泡行为。在低功率声场作用下，气泡在成核点受到声辐射力作用，迅速脱离并迁移，使得气泡尺寸减小、脱离尺寸和时间大幅降低，迁移速度显著提高。

图2：ALCHE的流动沸腾热传递性能。

通过对气泡行为的统计分析可知，声学开启时，平均气泡脱离尺寸和时间分别降低了 85.2% 和 79.4%，迁移速度平均提高了 225%。

在冷却机制方面，声频起着关键的调节作用。研究发现 1.5 kHz 声场在提升 CHF 和 HTC 以及降低温度方面表现最为优异。通过对不同声频下气泡大小分布、数量的统计以及对 ALCHE 位移的模拟可知，1.5 kHz 时气泡尺寸更小、数量更多，且声压场方向在硅片表面各位置一致，能促进气泡快速从上游移动到下游，从而提升传热性能；而 7.5 kHz 时气泡尺寸较大，声压场会使上游气泡朝下游中间移动，在高热流密度下可能过早形成大蒸汽膜阻碍传热。

图3：由声频调节的冷却机制。

同时，声功率也对传热性能有着重要的控制作用。在 1.5 kHz 下，随着声功率增加，传热性能持续提升。当声功率为 10.5W、入口流速为 0.1m/s 时，CHF 和最大 HTC 分别增强 47.1% 和 47.3%。这是因为增强的声功率导致更强的声辐射力，使气泡脱离尺寸更小、频率更快、迁移更快，延迟了气泡聚集，从而实现更高的 CHF。在各种流速下，系统散发的热量至少是泵和声功率总和的五倍，且压电陶瓷在低功率运行时产生的热量较少，能在入口低流速（0.1m/s）和高热流密度（55W/cm²）下提供近 3 小时的稳定温度波动控制。

图4：不同声功率下ALCHE的沸腾换热性能。

在研究方法上，冷却测试平台涵盖流体循环、测试和数据采集等部分。流体循环部分中，冷却液（乙醇）在储罐中加热和冷却后流入测试部分，入口温度控制在 20°C，流量由带过滤器（50μm 孔径）的齿轮流量计测量；测试部分中，冷却液在微通道内与硅片进行热交换，硅片由直流电源加热，接触传热面积为 1×1cm²；数据采集部分通过数据采集系统收集入口和出口之间的温度、压降以及硅片表面温度，并使用高速相机观察和记录气泡行为，以确保实验数据的全面性和准确性。

ALCHE 的制作过程严谨，各部件紧密贴合且硅片加热方式科学合理。气泡图像处理采用锐度增强、亮度和对比度调整、二值化和空洞填充等技术，有效提高了图像质量，从而能更准确地提取气泡数量和大小分布等信息。振动模拟通过 COMSOL 软件，依据相关公式和 “固体力学” 与 “静电学” 模块的耦合，模拟 ALCHE 的压电效应和振动情况，得到硅表面位移分布等结果。气泡跟踪算法基于两帧图像，依据最大位移和准刚性条件两个特征，通过 Matlab 软件实现对气泡迁移速度和方向的研究，确保了研究的科学性和可靠性。

综上所述，这项研究不仅克服了传统大型换能器的局限性，还为声学场增强的沸腾热传递过程提供了新的见解。ALCHE的设计为推进声学场增强沸腾热传递技术的发展提供了新方法，并为热管理领域的性能优化提供了强有力的技术支持。

更多信息：Hou J, Li D, Huang L, et al. Electronic cooling via acoustic-enabled low-power compact heat exchanger. Communications Physics, 2024, 7: 420. doi: 10.1038/s42005-024-01915-z

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