随着芯片功率的不断增加,对换热装置的设计要求也愈发严苛,尤其是对于散热空间受限的结构。本文针对某设备中散热空间受限、热流密度在20 W/cm~2的单芯片热源,选用6063铝作为壳体材料,泡沫铜作为强化结构,对应进行了单相及相变工况下的射流冲击换热装置的结构优化设计,并对优选结构进行了单相工况的实验研究。首先,根据换热要求设计了空流道射流冲击换热模型,搭建闭式射流冲击换热实验台,研究了空流道及全填充不同种类多孔介质射流冲击结构的单相流动换热特性。实验得到,泡沫铜可实现良好的强化换热效果是以压降为代价。单相工况下全填充20PPI和40PPI泡沫铜射流冲击结构的热源温度较空流道结构分别降低了12.2℃和9.8℃;而对应平均压降分别为空流道结构的2.53倍和2.81倍。在此基础上,为了更好地实现泡沫铜结构在压降与换热之间的权衡,从部分填充泡沫铜的思路出发,分别对槽道和针肋泡沫铜结构的射流冲击换热装置进行了结构的仿真优化设计和实验验证。仿真参数设置方面,考虑实际加工对参数的影响,对铝合金及铜的导热系数进行了修正。修正后得到空流道及全填充20PPI泡沫铜结构热源温度的相对误差分别为2.53%和2.38%,可实现较好吻合。在结构设计方面,分别探究了肋宽、槽宽、底部整体泡沫铜高度对流动换热的影响。优化结果得到,在单相及相变工况下,槽道优化结构的评价因子相较于初始结构分别提高了42.4%和43.3%,但仍不及全填充20PPI泡沫铜的射流冲击结构,因此进一步采用针肋结构进行优化。针肋泡沫铜结构的评价因子在单相及相变工况下较初始结构分别提高了61.42%和60.16%,优化效果明显。通过对比实验测试的多种优化结构可知,评价因子的优劣排序与热源温度和压降有所区别,最优结构会根据流量范围而有所不同。单相工况下入口雷诺数小于1492时,综合最优的换热装置是20PPI叉排针肋泡沫铜结构,当雷诺数大于1492、即入口流速大于0.25 m/s时,最优结构为20PPI全填充泡沫铜结构;对于相变工况来说,该分界点对应的雷诺数为1300。