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超高强度传热及智能控制
 

  只要存在温度差,热量就会自发地由高温传向低温,热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。大至单机功率为几百万千瓦的汽轮发电机组,小至微电子器件的冷却都与传热过程密切相关。随着电子元器件集成度不断地提高,同时现代电子设备热流密度已高达100-1000 W/cm2,这就需要在毫米级甚至微米量级的器件上把如此高的热量带走,传统的冷却技术已经无法满足这样的高强度传热过程。常见的冷却方式包括(图1所示):自然风冷、强制风冷、水冷、池沸腾、微通道、微槽群、热管、喷雾冷却等。图1也告诉我们,带有相变的传热技术换热系数会增加成千上万倍,换热能力也会大大增强。 

各种散热方式比较

  经过不断地积累与发展,研究所传热传质研究中心已经掌握了在国内乃至国际上极具优势与特色的一些超高强度的传热技术。例如,借助特殊微加工技术以固体基质制造的水力当量直径小于1 mm的微通道换热器,具有高传热系数、高表面积/体积比、低传热温差等优点。而微槽群复合相变传热技术,则是利用毛细压力梯度驱动液体流动,并在微槽内三相接触线区域促进扩展弯月面薄液膜的形成,其蒸发热流密度能达到108W/m2的数量级,在大功率激光器、变频设备、微电子、LED照明节能等领域里有着广阔的应用。 

  除此之外,传热传质研究中心针对应用于600℃以上热环境工作的高温热管进行了多年研究,并取得了较为成功的推广应用。高温热管是一种具有极高传热性能(轴向热流密度可以达到1000W/cm2以上)的元件,它通过在全封闭真空体系内的液态金属连续蒸发、凝结来传递热量,均温性很好。 

  在掌握高强度换热技术的同时,研究所传热传质研究中心也做了很多原创性的工作,比如传热过程的智能控制技术。研究团队研发出一种能够根据换热条件变化而产生自适应变形的具有记忆功能的智能传热控制器件,实现了传统传热部件无法实现的功能,即热量传递过程的智能控制,开辟了新的强化换热技术思路,是优化换热系统整体性能、提高稳定性和环境适应性的关键。目前,研究团队正在国际上首次尝试利用具有记忆功能的传热部件,实现反重力热管的运行,以及对冷凝、沸腾表面周期性的擦拭,高效地促进换热过程的进行。 

  传热中心开创的另一个特色技术,即热压转换传热技术,具有很高的创新性,相应的基础与应用研究一直处于国际领先地位。它是通过封装在密闭回路中的传热介质进行热量传递。在一定的温度和压力等热力学条件下,热和压力波之间发生高效率的能量转换,同时非常快速地传递高强度的热负荷,与传统传热技术相比具有更强的传热能力、结构自由度和适应加速度过载的能力。富有前景的应用包括航天器及高超声速飞行器的热防护、大功率电子器件热管理、高温余热利用和节能、无动力空调技术、数据中心超级计算机冷却等。