Интенсификация кипения в большом объёме с помощью пористых медных структур, напечатанных методом 3D-печати Binder Jetting: исследование критического теплового потока и коэффициента теплоотдачи

Растущие плотности теплового потока в высокопроизводительной электронике требуют применения более совершенных методов теплового управления. В настоящем исследовании интенсифицирован теплообмен при кипении в большом объёме — методе, обладающем высокой способностью к отводу теплоты, — за счёт применения аддитивной 3D-печати методом послойного нанесения связующего (Binder Jetting 3D Printing, BJ3DP), что позволило создавать сложные пористые медные структуры без химической обработки. Такой подход обеспечивает надёжное использование таких явлений, как капиллярность, для повышения эффективности. На подложках из чистой меди были изготовлены три типа пористых медных структур — Large Lattice, Small Lattice и Staggered — и испытаны при кипении в большом объёме деионизированной и дегазированной воды при атмосферном давлении. По сравнению с гладкой полированной медной поверхностью, для которой критический тепловой поток (CHF) составлял 782 kW/m2 при перегреве стенки 18 K, поверхности из пористой меди, изготовленные методом 3D-печати, продемонстрировали значительно более высокие характеристики теплообмена. Поверхность Staggered достигла обычного критического теплового потока 2342.4 kW/m2 (увеличение на 199.7%) при перегреве стенки 24.6 K. Примечательно, что структуры Large Lattice и Small Lattice продемонстрировали исключительно устойчивое кипение, не достигая типичного катастрофического критического теплового потока в пределах экспериментальных параметров. Для этих геометрий тепловой поток продолжал возрастать, достигая максимумов 2397.7 kW/m2 (на 206.8% выше при перегреве стенки 55.6 K) и 2577.2 kW/m2 (на 229.7% выше при перегреве стенки 39.5 K) соответственно. Затем при увеличении перегрева стенки наблюдалось постепенное снижение теплового потока, что свидетельствует о выдающейся устойчивости к кризису кипения. Эти улучшения обусловлены формированием в пористых структурах раздельных путей движения пара и жидкости, способствующих эффективному смачиванию нагретой поверхности за счёт капиллярного действия. Данный механизм обеспечивает высокоэффективный, самоподдерживающийся режим кипения и подчёркивает превосходные возможности этих напечатанных методом 3D-печати пористых структур в отношении повторного смачивания и управления паром, расширяя границы устойчивого высоко...