封面 | 追寻光的足迹——解锁芯片散热的“流量密码”

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封面 | 孔帅帅, 许晓妍, 孙昊, 方奕栋, 苏明旭, 杨荟楠. 基于吸收光谱技术的制冷剂膜厚测量系统研制[J]. 中国激光, 2022, 49(17): 1704004

封面解读

封面展示了基于吸收光谱技术测量电子元件表面制冷剂液膜厚度。待测光束入射至电子元件表面液膜，通过采集经液膜反射后的光束并提取制冷剂光谱信息变化，从而获取制冷剂液膜蒸发过程中的液膜厚度。

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研究背景

不知你有没有这种体验：刷了一会儿手机之后，猛然发觉手机变烫了，而后就会发现手机运行速度变慢了，俗称“卡了”。

微型电子设备的小型化使得其集成度越来越高；然而，由此产生的设备温度升高会导致其可靠性急剧下降，因此散热问题成为了制约电子元件性能提升的主要瓶颈。喷雾相变冷却作为一种具有高热流密度冷却能力和严格温度控制能力的高效冷却技术备受关注。因为热源表面液膜厚度与传热性能密切相关，液膜厚度的高精密测量有助于深入了解传热机理，可为电子元件的设计和优化提供测试手段和数据支撑。

国内外科研人员基于数值模拟的方法对制冷剂液膜进行了大量研究，许多学者基于电学法、声学法和光学法对常规液体膜厚测量开展了大量的实验研究工作，但与水、油和溶液等液体介质相比，制冷剂的沸点较低，液膜蒸发过程的实验环境和工作条件均难以控制。因此，针对制冷剂液膜的测量方法研究相对匮乏，且均存在一定的局限性。

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创新工作

为解决以上问题，上海理工大学能源与动力工程学院杨荟楠教授团队以一氯三氟丙烯（R1233zd）为研究对象，提出一种具有普适性的无干扰、高精度制冷剂液膜厚度测量新方法。

首先设计并研制了制冷剂温度控制装置（图1），实现了比色皿中R1233zd高精度（±0.1 ℃）的温度控制。利用傅里叶变换红外光谱仪测量不同温度下R1233zd的吸收光谱，发现在近红外区域（5800.0~6300.0 cm^-1）存在明显吸收，如图2所示。深入分析R1233zd在近红外区域的吸收光谱特性，提出了制冷剂膜厚反演的波长优选准则，初步确定两个波数位置分别为6080.5 cm^-1和6249.8 cm^-1。

图1 制冷剂温度控制装置

图2 R1233zd在温度13.5 ℃时的近红外区域吸收光谱及dk/dT

在此基础上，研制了基于吸收光谱技术的制冷剂膜厚测量系统（图3）。由于受到该系统中近红外光谱仪分辨率（5.2 cm^-1）的限制，最终确定两个波数位置为6082.9 cm^-1和6278.1 cm^-1。利用一定温度下可调液膜厚度的标准具对该系统液膜厚度的测量精度进行验证。结果表明，测量值与已知值的平均相对偏差为1.0%（图4）。

图3 基于吸收光谱法的制冷剂膜厚测量系统

图4 液膜测量值与已知数据对比

结合图像法对水平石英玻璃板上R1233zd液膜蒸发过程进行研究（图5）。结果表明，吸收光谱法和图像法测得液膜的初始厚度分别为410.8 μm和409.7 μm，相对偏差为0.26%。随着液膜蒸发过程的进行，两种方法测得的液膜厚度变化趋势基本一致，平均相对偏差为1.1%。

图5 R1233zd液膜蒸发过程中膜厚随时间变化情况

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总结与展望

团队所提出的检测系统具有结构紧凑、操作简单等优点，能够实现液膜厚度无干扰和高精度测量，也适用于其他种类的制冷剂测量。由于可同时获取宽波段光谱信息，有利于后期研究中液膜其他参数（如温度、浓度）的确定。

在后续工作中，团队将优化测量系统以获取制冷剂液膜二维信息。

课题组介绍

上海理工大学叶轮机械流动控制及检测技术团队现有教师24人，其中教授9名、副教授8名。重点围绕叶轮机械装备中的核心技术开展研究，主要涉及流动控制及优化设计研究、高温部件高效冷却技术研究、先进在线测量与智能诊断技术研究与气液两相流检测与诊断技术研究。团队承担了“两机”重大专项、国自然重点项目、国家863项目等多项国家级科研项目。近5年来，团队发表SCI论文200余篇，授权发明专利30余项，获省部级及国家一级学会科技奖励3项。

通讯作者简介

杨荟楠，上海理工大学教授、博士生导师，能源与动力工程学院副院长、能源动力工程国家级实验教学示范中心主任。中国颗粒学会青年理事、上海市工程热物理学会理事、上海市颗粒学会理事。主要研究方向为：气液两相多参数同步测量方法研究及应用、激光燃烧诊断及污染物排放在线监测、疾病前瞻性诊断方法研究及应用（医工交叉）等。

在International Journal of Multiphase Flow、Powder Technology等国内外期刊发表论文发表70余篇（第一作者/通讯作者论文40余篇）。入选上海市人才发展资金资助、获上海市教育系统三八红旗手等荣誉称号、获中国仪器仪表学会科学技术一等奖和中国颗粒学会科学进步一等奖等科研奖励。

原创 | 孔帅帅 杨荟楠

编辑 | 沈灵灵

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