摘要：微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)具有質(zhì)量小、穩(wěn)定性好、溫度均勻性好的優(yōu)點，在高密度發(fā)熱和大面發(fā)熱的電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。從微通道流動沸騰的機理研究、技術(shù)進展及應(yīng)用前沿對其進行闡述，包括目前學(xué)術(shù)界與工業(yè)界對微通道的定義，以及其散熱機理的研究進展?，F(xiàn)階段有關(guān)微通道流動沸騰的存在機制及其工程特性的探討還處于發(fā)展階段，微通道的流體沸騰換熱系統(tǒng)的實驗過程的機制仍具有爭論。

近些年來，隨著制冷技術(shù)在工程應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究等方面的不斷深入，制冷方法也逐漸產(chǎn)生了多樣化，由原來單一的自然制冷方法演變到了強迫風冷、水冷、相變制冷、半導(dǎo)體制冷和電磁制冷等。最常用的自然冷卻和溫控風冷散熱能力已經(jīng)到達了極限。隨著電子器件集成化變高和熱功率變大，迫切需要一種可以高效均勻且體積緊湊的散熱冷卻方式。微通道冷卻是一種高效的冷卻方式，是指通過基板上刻蝕的微尺度通道來散熱。其實現(xiàn)形式通常是指熱量通過基板傳導(dǎo)至微通道中流動的工作流體，再由工作流體傳導(dǎo)至器件外。微通道散熱系統(tǒng)由于具有溫度均勻性好、設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，有望成為未來高密度發(fā)熱電子設(shè)備散熱的方案之一。微通道冷卻技術(shù)的出現(xiàn)與20世紀80年代高密集電子器件冷卻問題有關(guān)，也與20世紀90年代出現(xiàn)的微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）散熱問題有關(guān)。微通道散熱系統(tǒng)在計算機芯片冷卻、航空航天等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

如何通過尺寸等參數(shù)區(qū)分常規(guī)通道與微通道這一課題，目前尚未有明確的學(xué)術(shù)定義。僅依據(jù)尺寸來區(qū)分微通道是不合理的，因為必須要考慮通道內(nèi)流體的類型和特性。目前工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域普遍認為，水力直徑小于1mm的通道都可以稱為微通道。根據(jù)微通道內(nèi)流體是否發(fā)生相變，可以將微通道散熱分為不發(fā)生相變的單項冷卻技術(shù)和發(fā)生相變的流動沸騰（兩相）冷卻技術(shù)。微通道單相制冷，其冷卻介質(zhì)在整個制冷過程中始終保持一種狀態(tài)（一般為液態(tài)），不會在制冷過程中發(fā)生相變反應(yīng)。與常規(guī)單相冷卻系統(tǒng)相比，微通道單相冷卻系統(tǒng)在相同體積下傳熱面積大，具有微尺度效應(yīng)，整體散熱性能更高。目前，微通道內(nèi)單相傳熱的研究已經(jīng)較為充分。但微通道單相冷卻系統(tǒng)也存在著一些問題，例如當需要散熱的器件封裝較大時，所需的微通道單相冷卻系統(tǒng)的微通道長度會過長，造成較大的進出口溫差，可能會導(dǎo)致半導(dǎo)體器件因溫度不均勻而熱失控。如果需要解決這個問題，需要非常高的工質(zhì)流速，但這也同時增加了系統(tǒng)的成本。而微通道流動沸騰冷卻技術(shù)是解決單相冷卻系統(tǒng)進出口溫差較大問題的方法之一。

微通道流動沸騰冷卻技術(shù)利用的是流體在流動-沸騰-冷凝過程中的熱效應(yīng)。在多數(shù)情況下，散熱器壁溫始終高于作為工質(zhì)的流體，因此在液體沸騰過程中，工質(zhì)溫度為局部壓力下的飽和溫度。與上面提到的微通道單相換熱相比，兩相換熱的工質(zhì)溫度變化較小，因此兩相換熱可以提高散熱裝置壁面溫度的均勻性。如果單相換熱需要達到與雙相換熱一樣的均溫性，則需要大功率的工質(zhì)泵，來提高工質(zhì)流速。這就需要提高散熱器的成本；且通常功率越大的工質(zhì)泵體積也越大，也不利于散熱器的小型化。兩相換熱利用了工質(zhì)的潛熱，所以在工質(zhì)流量較小的情況下也可以達到更高的傳熱系數(shù)。這在高密集電路越來越小型化的今天，還是非常有優(yōu)勢的。和常規(guī)的單相流動式換熱體系一樣，兩相冷卻技術(shù)在一定流量時系統(tǒng)的換熱系數(shù)對流速變化并不敏感，這一特性也將導(dǎo)致更多工質(zhì)循環(huán)泵都不必保持精確的流速，進而可以降低設(shè)備的成本。因此為了研究需要，有必要對微通道散熱系統(tǒng)的研究進行梳理。

1 微通道流動沸騰冷卻機理研究

常規(guī)通道內(nèi)的流動沸騰與微通道中的差異在于，微通道中的流動沸騰工質(zhì)流態(tài)大多為層流。圖1所示為均熱管內(nèi)流動沸騰的流型演變，整個流動沸騰區(qū)域可分為過冷沸騰區(qū)和飽和沸騰區(qū)，流型包括泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流、霧狀流等。目前，研究者們對該課題開展了較多的實驗研究，也取得了較好的實驗數(shù)據(jù)。但是被普遍接受的微通道流動沸騰熱交換系統(tǒng)機理尚未建立?，F(xiàn)有的研究方法大多來自實驗結(jié)果與現(xiàn)有理論的結(jié)合。

圖 1 均勻加熱管內(nèi)流動沸騰下的流型演變

彭曉峰等研究了微尺度通道流動沸騰機理，發(fā)現(xiàn)雖然水的過冷度相對較高，但在初始沸騰后較快轉(zhuǎn)為核態(tài)沸騰，從而有效提升傳熱效果，與常規(guī)管道中的核態(tài)沸騰有很大的區(qū)別。流速和過冷度對于強烈的核態(tài)沸騰的影響并不顯著。Peng等提出了“蒸發(fā)空間”和“擬沸騰”2個新概念，認為除了滿足汽化核心等約束條件，液體本身還必須具備一定的尺度才能進行蒸發(fā)和氣泡形成。因此，他們將實現(xiàn)液體內(nèi)部汽化所需的最小尺度稱為“蒸發(fā)空間”，只有當液體尺度大于蒸發(fā)空間時，才會在液體內(nèi)部發(fā)生沸騰和氣泡形成。而核態(tài)沸騰的增加，則用“擬沸騰”進行解釋。擬沸騰現(xiàn)象具有不同于通常平衡狀態(tài)的熱物理參數(shù)，液體處于不穩(wěn)定的熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，其比熱容遠高于平衡態(tài)值，因此可以收集和儲存大量的熱量，未蒸發(fā)的液體雖然有內(nèi)部沸騰的情況，但不存在產(chǎn)生大量氣泡的傳熱過程。內(nèi)部蒸發(fā)可以形成許多用常規(guī)手段無法觀察到的微觀氣體，因此可以大大增加液體吸收的能量。Peng等還從經(jīng)典熱力學(xué)相變理論入手，利用大量實測資料開展了半經(jīng)驗的物理理論分析，發(fā)現(xiàn)核態(tài)沸騰與實際熱流量、熱流體性質(zhì)以及微通道尺寸等密切相關(guān)。Guo等利用實驗現(xiàn)象揭示了垂直微尺度通道內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的強化機理。一方面，當微尺度通道變小時微尺度通道內(nèi)壁面上形成的薄層液膜可能導(dǎo)致氣泡變形并相互摩擦，加速氣泡脫離，從而顯著提高換熱率；另一方面，上升的氣泡會與沿程壁面上的氣泡發(fā)生碰撞，使其過早離開壁面，從而強化了換熱作用。利用實驗技術(shù)探究微尺度通道內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的機理，發(fā)現(xiàn)流體的流動機理是影響微尺度通道內(nèi)沸騰換熱機制的重要因素。在流體流動的不同區(qū)域，換熱的方式也是不一樣的，比如初期以核態(tài)沸騰為主；隨著空氣干度的提高，對流換熱作用顯著增強；當空氣干度提高至一定程度時，微尺度通道內(nèi)壁面會出現(xiàn)部分“干涸”，換熱效果會急劇惡化。劉冬等從集簇動力學(xué)的角度來解釋微尺度管道內(nèi)沸騰傳熱的機制。在核化階段會出現(xiàn)集簇體積的增加，進一步會擾動壓強，可能引發(fā)核聚沸點，從而決定相變的臨界尺度。目前，一部分研究者認為，微通道的換熱系數(shù)是熱流壓、過飽熱壓等的關(guān)鍵函數(shù)，與流體質(zhì)量、氣體種類等因素基本無關(guān)，所以認為微通道流體沸騰的原因主要是由于核態(tài)沸騰；而另一部分學(xué)者認為質(zhì)量流體、工質(zhì)中氣泡份額也會對微通道流動沸騰散熱產(chǎn)生重要影響。但是由于微通道流體沸騰的換熱因素非常復(fù)雜，其包含的散熱因素也較多，其換熱機理等問題還有待進一步研究。

2 微通道流動沸騰冷卻技術(shù)進展

目前，國內(nèi)外學(xué)者在微通道流動沸騰冷卻技術(shù)領(lǐng)域的研究主要集中在微通道結(jié)構(gòu)、微通道布局結(jié)構(gòu)以及微通道對沸騰傳熱的影響3個方面。

2.1 微通道結(jié)構(gòu)形狀研究進展

目前，微通道換熱器主要包括微通道平行翅片換熱器和微型針翅式換熱器。水平波紋翅片微通道換熱器的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)較為簡單，目前已在國內(nèi)進行了較大規(guī)模的試驗研發(fā)，截面形式大多集中在正方形、圓形、階梯式和三角形等。Choi等、Jang等、Liu等和Hu等均對矩形微通道展開了大量實驗研究，發(fā)現(xiàn)矩形平行翅片通道內(nèi)兩相沸騰傳熱系數(shù)是液體單相流動的3～20倍。與傳統(tǒng)的微通道平行翅片換熱器不同，微型針翅式換熱器的設(shè)計相對復(fù)雜，冷卻劑流動更加復(fù)雜。研究表明，與平行翅片換熱器相比，采用微翅片的微型針翅式換熱器可以有效改善傳熱效果，提高熱流密度，從而有效地改善進出口流場分布。

2.2 微通道布局結(jié)構(gòu)研究進展

微通道的布局結(jié)構(gòu)也會影響散熱效果。研究者在對微通道的布局結(jié)構(gòu)提出了在直微通道上加入若干橫斷，使得微通道呈間斷分布，可以起到擾流和均衡微通道之路壓力的作用。自然界中存在的一些結(jié)構(gòu)，如葉脈結(jié)構(gòu)、人體氣管結(jié)構(gòu)、蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)等拓撲結(jié)構(gòu)具有相對較好的綜合散熱性能。研究者們還通過設(shè)置多層微通道來提升散熱性能，各層微通道內(nèi)工質(zhì)流向可以是相同也可以是不同，每層截面結(jié)構(gòu)也可以設(shè)計為可變結(jié)構(gòu)。Mathew等對多層混合微通道和微間隙銅散熱器中的流動沸騰進行了實驗分析，發(fā)現(xiàn)與直通道相比，混合微通道中的沸騰更加穩(wěn)定。

2.3 微通道沸騰傳熱影響因素研究進展

隨著研究的深入，研究人員正將更多精力放在了解熱通量、質(zhì)量流率、蒸汽質(zhì)量、水力直徑和表面特性對沸騰傳熱的影響。Luo等發(fā)現(xiàn)熱流密度和流形比對微通道中的熱阻和壓降有很大影響。使用翅片改進后的微通道也可以顯著增強換熱。凹腔微通道可促進氣泡成核，提高氣泡生成再現(xiàn)性和均勻性，降低沸騰起始點，提高臨界熱流密度，表面改性的微通道沸騰傳熱能力大幅提升，不同表面改性對氣體產(chǎn)生和傳熱有不同作用。

3 微通道流動沸騰冷卻技術(shù)的應(yīng)用前沿

3.1 汽車空調(diào)應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的氟利昂系列冷卻劑對環(huán)境有著巨大的危害，蒙特利爾協(xié)議禁止了氟利昂系列冷卻劑。 在汽車空調(diào)輕型、小型化的趨勢下，微型通道氣體冷卻器可同時滿足其對實用性、耐久性和安全性的多重需求。傳統(tǒng)散熱器使用圓筒式銅管，而微通 道散熱器采用多孔扁狀結(jié)構(gòu)的鋁管，其表面積比銅管大得多，體積卻小得多，熱交換能力更強，還可以減少 70% 的制冷劑用量，更適應(yīng)汽車緊湊的結(jié)構(gòu)。

3.2 微電子領(lǐng)域散熱

隨著微電子行業(yè)的飛速發(fā)展，其器件的積熱問 題也日益凸顯，散熱技術(shù)成為微電子行業(yè)發(fā)展的 “瓶頸”之一。微通道換熱器已成為微電子領(lǐng)域的 新型散熱設(shè)備之一。

3.3 航空航天冷卻散熱

微通道冷卻技術(shù)因其熱傳導(dǎo)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、 質(zhì)量輕和體積小的優(yōu)點，受到了航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。目前，微通道冷卻技術(shù)已在發(fā)動機燃油室側(cè)壁冷卻、中超聲速飛行器預(yù)冷器技術(shù)、渦輪葉片空氣散熱技術(shù)等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，對發(fā)動機的運行 安全起到重要作用。

4 結(jié)語

微通道流動沸騰散熱具備質(zhì)量小、穩(wěn)定性好、 溫度均勻性好、安全性高等優(yōu)點，有望在散熱設(shè)備領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。目前，研究者的主要任務(wù)之 一是在前人的研究基礎(chǔ)上進一步擴大試驗領(lǐng)域，包括擴大工質(zhì)類型、在較廣泛的工作參數(shù)范圍內(nèi)開展試驗、改進微尺寸管道材質(zhì)與設(shè)計參數(shù)等。微尺度管道內(nèi)的流體特征、傳熱機制及其內(nèi)在性質(zhì)等還不夠清楚，有待進一步深入探索。微通道流動沸騰散熱領(lǐng)域未來的研究重點，可能是不同結(jié)構(gòu)微通道流體沸騰換熱過程的量化研究。

本文標題：微通道流動沸騰冷卻技術(shù)及應(yīng)用

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