随着航空技术的快速发展，大功率激光器、大功耗电子设备及相控阵雷达被广泛应用，随之而来的便是高热流密度器件的散热问题．美国国家航空航天局(NASA)的报告指出，对于雷达收发组件(T/R组件)大功率散热设备，其热流密度高达1×107 W/m2；而大功率激光器热流密度也达MW/m2量级[1-2]．电子元器件运行的稳定程度受温度的影响很大，当温度达到70~80 ℃时，温度每升高10 ℃，电子元器件可靠性将下降5%[3]．高热流密度元器件容易因局部散热效率低而出现局部温度过高等问题，进而严重威胁电子设备的工作寿命及可靠性，因此高热流密度散热技术成为电子元器件散热研究的重点．对于搭载临近空间飞行器的大功率电子设备，终端散热热沉环境受到了极大制约，对高效散热技术的需求更为迫切．目前，单相流体散热仍是最有效且应用最为广泛的散热技术[4]．而射流冲击冷却技术[5]、微通道冷却技术[6]及两者结合的射流微通道冷却技术[7-8]是目前解决高热流密度散热问题的主要方式，其高热流密度散热能力也均被证实．但是诸多模拟和实验结果都表明[9-12]微通道冷却具有明显的缺点，即沿流动方向的加热表面温升及通道压降较大．由于单个通道尺寸较小，导致其加工成本较高，加工难度较大，很大程度上限制了微通道冷却技术和射流微通道冷却技术的应用．相比而言，射流冲击通道加工简单，并且因流体在冲击过程中产生较薄的边界层而具备极高的对流换热系数，进而具备高热流密度散热能力[13]，但其缺点在于单孔射流冲击在驻点区内外的换热系数差异较大进而导致换热表面温度不均匀，因此可通过多孔排布来创建多个驻点区使得换热表面温度均匀．鉴于射流冲击冷却技术良好的冷却能力，国内外很多学者针对射流孔直径和射流距离等开展了诸多研究．Michna等[14]研究了单相射流冲击的压降和冲击区传热系数的关系，其实验装置能够在50 ℃的温差下实现400 W/cm2的散热需求；Browne等[15]以去离子水和空气为流动工质，通过实验研究了两个微喷射阵列系统的散热性能．本研究针对单孔射流的缺点及大幅面非均匀热源表面散热需求，设计并加工了一种射流冲击冷板，冷板内部有多个线性阵列的嵌入式射流孔对换热表面高热流密度区域进行冲击冷却，并对冷板进行了不同流量和加热功率条件下的散热特性研究．1 非均匀热源冷却实验与测量系统实验测试的射流冲击冷板结构及流动示意图如图1所示．嵌入式射流冲击冷板由流体通道、射流条、顶板三部分组成．流体通道布置有肋片，用于引导流体流动，促进流体的均匀分布；射流条包含八个等间距排布的射流结构(射流结构从左到右依次编号为1~8，冷板上对应的高热流密度区域编号与之对应)，每个射流结构均采用上下对称结构，能够同时对冷板上下面进行射流冲击冷却，不仅提高了换热效率，还提高了换热设备的紧凑性，同时可以根据高热流密度热源位置调整射流结构的嵌入位置及数量以保证冷却液可以直接对高热流密度区域表面进行冲击冷却．射流结构参数为射流孔直径djet为2 mm，射流距离Hjet为2 mm，射流冲击区域尺寸为7 mm×8 mm．10.13245/j.hust.230813.F001图1嵌入式射流冲击冷板结构与流动示意图针对射流冷板所搭建的实验平台包括模拟芯片、稳压电源、测温系统、嵌入式射流冷板及冷却液供给系统(冷却液为65号冷却液)以及压力、流量传感器等，实验系统流程图如图2所示．在冷板进出口布置热电偶及压力传感器来获取冷却液进出口温度及压力，在冷板入口段采用流量传感器测量冷却液流量；芯片由稳压电源供电以提供一定的热流密度，最后采用数字万用表采集各测量数据．10.13245/j.hust.230813.F002图2实验系统流程图为了模拟雷达大功率T/R组件和低功率背景热源组成的非均匀热源表面，采用模拟芯片提供非均匀热源表面．模拟芯片通过在单晶硅上镀镍制成，芯片两侧区域共有十六个电阻，芯片中心区域由八个串联的电阻组成(从左到右依次编号为1~8)．实验过程中通过调节供电电压来控制模拟芯片的热流密度，供电方式如图3所示，中间电阻和两侧电阻分别由两个电压源供电，因此可以分别控制中间和两侧区域的热流密度以提供非均匀热源条件，其中两侧电阻产生的热源作为背景热源，热流密度约为2.2 W/cm2，中间电阻作为模拟芯片，是主要发热元件，实验中提供的高热流密度在29.8~497.2 W/cm2之间．芯片与冷板之间采用霍尼韦尔相变导热片贴合，实验前对冷板进行多次循环预加热及预紧，使相变导热片融化并充分填充芯片与冷板间空隙，同时使导热片所填充间隙的厚度保持不变．10.13245/j.hust.230813.F003图3芯片加热示意图及温度电阻拟合曲线由于采用为模拟芯片提供电压的方式来控制热流密度，很难直接测量模拟芯片不同区域的表面温度，因此采用间接温度测量方法：实验前将芯片置于恒温箱内，测量其在30~120 ℃(温度间隔10 ℃)时的各个区域内的电阻，然后利用最小二乘法拟合得到温度电阻关系．实验过程中只须获取芯片的电阻值，进而利用温度电阻关系间接获取温度，实验过程中用LabVIEW程序框图对温度进行实时显示．温度电阻拟合曲线如图3所示，拟合曲线与标定点误差为±1.5 ℃，在实验开始前将使用芯片热阻拟合曲线计算温度与PT100温度传感器测量温度进行对比，所有电阻温度偏差小于1.3 ℃．实验过程中，冷却液从储液罐经齿轮泵流经射流冷板，并在冷板进出口布置热电偶、压力传感器及流量传感器来获取冷却液进出口温度、压力及流量．冷却液在冷板内部完成换热后进入冷却器中被冷却，防止冷却液在进入下一个循环前有较大的温升，最后回到储液罐．实验过程分为变功率和变流量工况，变功率工况中通过调节模拟芯片的供电电压来提供不同的热流密度，变流量工况通过调节齿轮泵转速来改变冷却液流量．实验过程中对冷板进出口温度、进出口压差及模拟芯片各个电阻的电压电流值进行采集，最后对采集的数据进行计算处理及传热分析，得到非均匀热源下射流冲击冷板的冷却特性．2 实验数据处理与误差分析芯片整体规格为50 mm×72 mm，而厚度仅为0.425 mm，较长宽而言，厚度很小，并且实验过程中填涂的导热片的长宽约为芯片的长度和宽度，填涂厚度约为0.1 mm，且厚度值较填涂面积而言很小，由于导热片是可相变导热片，因此可以认为导热片与模拟芯片及冷板之间没有间隙，即接触良好．为了简化对冷板温度的分析计算，可以将芯片到冷板之间的传热过程简化为一维传热过程，即仅考虑其厚度方向上的传热过程．具体的传热过程示意图见图4，图中：Tj为芯片发热表面的温度(由实验测量获得)；Rsi为芯片自身的导热热阻；Tb为芯片背面温度；RTIM为导热硅脂热阻；Ts为与芯片高热流密度区域对应的冷板区域的温度；RHS为冷却液和冷板间换热热阻；Tf为流体的入口温度(由实验测量获得)．10.13245/j.hust.230813.F004图4冷板传热过程示意图利用采集的数据，通过计算可获得冷却液和冷板之间的换热热阻RHS=(Ts-Tf)/ϕ，(1)式中ϕ为芯片与冷板之间换热的热流量．式(1)中冷板与芯片接触表面的温度Ts满足Tj=Ts+ϕRj，(2)式中Rj为芯片与冷板之间的接触热阻．Rj由两部分组成，Rj=Rsi+RTIM，(3)Rsi=dsi/(Aλsi)，(4)RTIM=dTIM/(AλTIM)，(5)式中：λsi为芯片的导热系数，λsi=140 W/(m∙K)；dsi为芯片的厚度，dsi=0.425 mm；λTIM为导热硅脂的导热系数，λTIM=6 W/(m∙K)；dTIM为导热硅脂的厚度dTIM=0.1 mm；A为模拟芯片中单个高热流密度区域的面积．由于上述求解的Ts代表的是冷板表面上与高热流密度区域相对应区域的温度值，该区域尺寸为3.0 mm×3.5 mm，而射流结构冲击区域的尺寸为7 mm×8 mm，因此上式求解的冷板与冷却液间的换热热阻除了包含冷板基底的导热热阻、冷板与冷却液之间的对流换热热阻外，还包含了扩散热阻，RHS满足RHS=Rs+Rb+Rc，(6)式中：Rb为冷板基底热阻；Rc为对流换热热阻；Rs为扩散热阻，Rs=Ab0.5-A0.5λb(πAbA)0.5φλbAbRb+tanh(φdb)1+φλbAbRbtanh(φdb), (7)其中，λb为冷板基底的导热系数，λb=237 W/(m∙K)，Ab为射流冲击区域面积，db为冷板基底厚度，φ为扩散热阻系数，φ=π1.5/Ab0.5+A-0.5. (8)利用式(2)～(7)可以计算得到冷却液和冷板之间整体换热热阻及各部分热阻分布，其误差取决于直接测量仪器的误差．实验中冷却液流量由流量变送器测得，误差为±1.0%；流体进出口压差有压差传感器测得，误差为±0.5%；流体平均温度由铂电阻温度计(PT100)测得，误差为±0.15 ℃+0.002Tf；热流量由稳压电源控制，稳压电源的电流精度为±0.5%，电压精度为±0.1%；模拟芯片发热表面温度由事先拟合的温度电阻关系计算得到，误差为±1.5 ℃．利用工程中常用的误差合成公式及误差传递公式[16]，计算可得冷却液和冷板之间的整体换热热阻的误差为±1.01%．3 射流冲击冷却结果与讨论3.1　非稳态加载实验过程模拟热源散热特性实验过程中对嵌入式射流冲击冷板进行变功率和变流量实验．在变功率工况中，保持流经冷板的冷却流量不变，不断增加芯片热流密度；在变流量工况中，尽可能保证芯片的热流密度不变，不断减小冷却液流量．实验第一部分，维持冷却液流量不变(冷却液流量约为5.0 L/min，冷板进出口压降约为14.9 kPa)，不断增加加热功率来改变模拟芯片中心区域的热流密度．实验过程中记录模拟芯片热流密度、表面温度及冷板进出口冷却液的温度随时间的变化，数据处理结果见图5．10.13245/j.hust.230813.F005图5变功率工况下模拟热源平均热流密度及温度随时间变化趋势从图5可以看出：当维持背景热源功率及冷却液流量基本不变时，随着芯片中心区域加热功率的增大，芯片内各个电阻区域温度不断升高，流体进出口温度也在不断升高．实验过程中基本维持背景热源热流密度为2.2 W/cm2不变，冷却液流量维持在5.0 L/min左右，冷板进出口压降维持在14.9 kPa左右；通过逐渐增加中间电阻的电压来改变芯片的热流密度，实验中芯片中心区域最大热流密度达到了497.2 W/cm2，此时芯片中间电阻的温度也达到最大，最大温升约为123.1 ℃．由于背景热源总功率较小，因此在实验过程中背景热源所对应的两侧电阻区域的温升并不明显；而流体进出口温度不断升高是因为在实验过程中，冷却液在经过冷板后流经蒸发冷凝器换热，但由于换热不充分，导致并不能将冷却液冷却到进口状态时的温度，因而经过多次循环实验，冷却液温度会有略微的升高．实验第二部分，保持模拟芯片各区域热流密度不变(背景热源热流密度约为2.2 W/cm2，中心区域热流密度约为118.6 W/cm2)，逐步减小冷却液流量．实验过程中记录模拟芯片表面温度、冷板进出口冷却液的温度、冷却液流量及冷板进出口压差随时间的变化，数据记录结果见图6．10.13245/j.hust.230813.F006图6变流量工况下模拟热源温度、流量及压差随时间变化趋势从图6可以看出：在该部分实验过程中，芯片中心区域的热流密度维持在118.6 W/cm2左右，背景热源热流密度维持在2.2 W/cm2左右，并且随着冷却液流量的减小，冷板进出口压差也在同步减小；芯片内各个电阻区域温度随冷却液流量的减小而缓慢增加，流体进出口温度也在逐渐增大(原因同变功率工况)；实验过程中，通过调节齿轮泵转速，逐步改变冷却液流量，控制冷却液流量在5.0 L/min以内，实验过程中冷却液最小流量约为0.4 L/min，此时芯片内各个电阻区域温升达到最大，所有电阻区域内最大温升约为34.0 ℃．3.2　射流冲击冷板传热特性分析经分析可知在变功率工况下冷板表面温升(ts-tf)随热流量变化趋势间接地反映了冷板与冷却液间换热热阻的大小，因此对上述实验结果进行处理，图7为射流冲击冷板中心区域在变功率工况下温升随热流密度(ρ)的变化．在变流量工况下，冷板表面温升同样间接地反映了冷板与冷却液间换热热阻的大小，因此对实验结果处理得到图8和9，其中图8为冷板表面温升随射流速度(v)变化趋势，图9为冲击区平均努塞尔数(Nu)随射流速度变化趋势．上述图中区域编号与冷板射流结构编号相对应．10.13245/j.hust.230813.F007图7冷板中心区域温升随热流密度变化10.13245/j.hust.230813.F008图8冷板中心区域温升随射流速度变化10.13245/j.hust.230813.F009图9射流冲击区平均努塞尔数随射流速度变化从上述结果可以看出：在变功率工况下，随着热流密度的增加，射流冲击冷板表面温升在逐渐增大．由于各中心电阻阻值的不同，导致冷板中间不同区域温升不同，但冷板表面温度与流体平均温度的温差和热流密度基本成线性关系，表明在冷却液流量不变即射流速度不变时，冷板与冷却液间的换热热阻基本不变．当背景热源热流密度维持在2.2 W/cm2，中心热流密度达到580.5 W/cm2时，冷板中心八个区域的最大温升约为71.4 ℃．在变流量工况下，芯片中心区域的热流密度维持在118.6 W/cm2左右，背景热源热流密度维持在2.2 W/cm2左右．当射流孔平均射流速度为0.14 m/s时(冷却液流量为0.4 L/min)，冷板中心八个区域的最大温升约为22.9 ℃；当射流孔平均射流速度为1.68 m/s时(冷却液流量为5.0 L/min)，冷板中心八个区域的最大温升约为14.0 ℃．随着射流速度的减小，冷板表面温升在逐渐增大，表明冷板与冷却液间的换热热阻随射流速度的减小而逐渐增大．但随着射流速度的增加，温升曲线斜率逐渐减小．从强化换热角度分析表明：当射流速度较小时对流换热热阻占比较大，因而可通过增大冷却液流量即增加射流速度实现对整体热阻的快速减小，进而使得温升快速减小；当射流速度较大时，对流换热热阻不再占据主导地位，因而继续增加流量(即增加射流速度)对换热效果的增加并不显著．图9表明了射流冲击区平均努塞尔数随射流冲击速度增大而增大，但其斜率在逐渐减小，从而进一步验证随着冷却液流量的增加，对流换热系数增加速率在不断减小，即随着射流速度的增加，对流换热热阻减小速率在不断降低．图10更加直观地表明了芯片与冷却液间的热阻(R)分布及其随射流速度变化趋势，图中所有热阻为八个中心区域的平均值．10.13245/j.hust.230813.F010图10芯片与冷却液间热阻分布随射流速度变化上述结果表明，冷板的扩散热阻、界面热阻及基底导热热阻基本不变．随着射流速度的减小(即冷却液流量的减小)，对流换热热阻逐渐增大，进而表明当射流结构及其他条件不变时，射流冲击换热系数随着射流速度的减小而减小．计算结果表明：随着射流速度的减小，对流换热热阻占整体热阻的比例为18.1%~42.1%，该结果同样表明当射流速度增加到一定程度时，对流换热热阻不再是主要的热阻来源，继续增大射流速度产生的强化换热效果并不明显，此时应从减小界面热阻及扩散热阻的角度强化换热．4 结论本研究针对非均匀热源及单孔射流冲击的缺点，设计并加工了一种嵌入式射流冲击冷板，在由芯片产生的包含背景热源和高热流密度区域的非均匀热源条件下对冷板进行变流量和变功率冷却特性实验研究，得到以下结论．a．针对雷达器件、大功率TR组件和低功率背景热源组成的非均匀热源表面散热需求，提出了一种嵌入式射流冲击冷板，当冷却液流量为5.0 L/min(射流速度1.68 m/s)、背景热源热流密度为2.2 W/cm2时，可实现的中心区域散热热流密度达580.5 W/cm2．b．在变热流密度工况下，冷板表面温度与流体平均温度的温差和热流密度基本成线性关系，表明当冷却液流量不变时，冷板与冷却液间的换热热阻基本不变；在变流量工况下，射流冲击换热系数随射流速度的减小而减小，但温升曲线斜率随射流速度增大而减小，进一步表明当射流速度较小时，对流换热热阻占比较大，此时仍可通过进一步增大射流速度实现换热强化，但当射流速度增大到一定值后，对流换热热阻不再是主要的热阻来源，此时继续增加射流速度产生的强化换热效果并不明显．c．芯片与冷却液间的换热热阻随射流速度的减小而逐渐增大，当射流速度在0.14~1.68 m/s间变化时，对流换热热阻占整体热阻的比例为18.1%~42.1%，该结果表明当射流速度增加到一定程度时，对流换热热阻占比很小，因此若要继续强化换热，则应从减小界面热阻及扩散热阻的角度出发．