微通道流动沸腾冷却技术及应用

摘要：微通道流动沸腾散热系统具有质量小、稳定性好、温度均匀性好的优点，在高密度发热和大面发热的电子设备中得到广泛应用。从微通道流动沸腾的机理研究、技术进展及应用前沿对其进行阐述，包括目前学术界与工业界对微通道的定义，以及其散热机理的研究进展。现阶段有关微通道流动沸腾的存在机制及其工程特性的探讨还处于发展阶段，微通道的流体沸腾换热系统的实验过程的机制仍具有争论。

近些年来，随着制冷技术在工程应用和基础理论研究等方面的不断深入，制冷方法也逐渐产生了多样化，由原来单一的自然制冷方法演变到了强迫风冷、水冷、相变制冷、半导体制冷和电磁制冷等。最常用的自然冷却和温控风冷散热能力已经到达了极限。随着电子器件集成化变高和热功率变大，迫切需要一种可以高效均匀且体积紧凑的散热冷却方式。微通道冷却是一种高效的冷却方式，是指通过基板上刻蚀的微尺度通道来散热。其实现形式通常是指热量通过基板传导至微通道中流动的工作流体，再由工作流体传导至器件外。微通道散热系统由于具有温度均匀性好、设备系统结构简单、质量小、运行稳定等优点，有望成为未来高密度发热电子设备散热的方案之一。微通道冷却技术的出现与20世纪80年代高密集电子器件冷却问题有关，也与20世纪90年代出现的微机电系统（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）散热问题有关。微通道散热系统在计算机芯片冷却、航空航天等领域有广阔的发展前景。

如何通过尺寸等参数区分常规通道与微通道这一课题，目前尚未有明确的学术定义。仅依据尺寸来区分微通道是不合理的，因为必须要考虑通道内流体的类型和特性。目前工业应用领域普遍认为，水力直径小于1mm的通道都可以称为微通道。根据微通道内流体是否发生相变，可以将微通道散热分为不发生相变的单项冷却技术和发生相变的流动沸腾（两相）冷却技术。微通道单相制冷，其冷却介质在整个制冷过程中始终保持一种状态（一般为液态），不会在制冷过程中发生相变反应。与常规单相冷却系统相比，微通道单相冷却系统在相同体积下传热面积大，具有微尺度效应，整体散热性能更高。目前，微通道内单相传热的研究已经较为充分。但微通道单相冷却系统也存在着一些问题，例如当需要散热的器件封装较大时，所需的微通道单相冷却系统的微通道长度会过长，造成较大的进出口温差，可能会导致半导体器件因温度不均匀而热失控。如果需要解决这个问题，需要非常高的工质流速，但这也同时增加了系统的成本。而微通道流动沸腾冷却技术是解决单相冷却系统进出口温差较大问题的方法之一。

微通道流动沸腾冷却技术利用的是流体在流动-沸腾-冷凝过程中的热效应。在多数情况下，散热器壁温始终高于作为工质的流体，因此在液体沸腾过程中，工质温度为局部压力下的饱和温度。与上面提到的微通道单相换热相比，两相换热的工质温度变化较小，因此两相换热可以提高散热装置壁面温度的均匀性。如果单相换热需要达到与双相换热一样的均温性，则需要大功率的工质泵，来提高工质流速。这就需要提高散热器的成本；且通常功率越大的工质泵体积也越大，也不利于散热器的小型化。两相换热利用了工质的潜热，所以在工质流量较小的情况下也可以达到更高的传热系数。这在高密集电路越来越小型化的今天，还是非常有优势的。和常规的单相流动式换热体系一样，两相冷却技术在一定流量时系统的换热系数对流速变化并不敏感，这一特性也将导致更多工质循环泵都不必保持精确的流速，进而可以降低设备的成本。因此为了研究需要，有必要对微通道散热系统的研究进行梳理。

1 微通道流动沸腾冷却机理研究

常规通道内的流动沸腾与微通道中的差异在于，微通道中的流动沸腾工质流态大多为层流。图1所示为均热管内流动沸腾的流型演变，整个流动沸腾区域可分为过冷沸腾区和饱和沸腾区，流型包括泡状流、弹状流、环状流、雾状流等。目前，研究者们对该课题开展了较多的实验研究，也取得了较好的实验数据。但是被普遍接受的微通道流动沸腾热交换系统机理尚未建立。现有的研究方法大多来自实验结果与现有理论的结合。

图 1 均匀加热管内流动沸腾下的流型演变

彭晓峰等研究了微尺度通道流动沸腾机理，发现虽然水的过冷度相对较高，但在初始沸腾后较快转为核态沸腾，从而有效提升传热效果，与常规管道中的核态沸腾有很大的区别。流速和过冷度对于强烈的核态沸腾的影响并不显著。Peng等提出了“蒸发空间”和“拟沸腾”2个新概念，认为除了满足汽化核心等约束条件，液体本身还必须具备一定的尺度才能进行蒸发和气泡形成。因此，他们将实现液体内部汽化所需的最小尺度称为“蒸发空间”，只有当液体尺度大于蒸发空间时，才会在液体内部发生沸腾和气泡形成。而核态沸腾的增加，则用“拟沸腾”进行解释。拟沸腾现象具有不同于通常平衡状态的热物理参数，液体处于不稳定的热力学非平衡状态，其比热容远高于平衡态值，因此可以收集和储存大量的热量，未蒸发的液体虽然有内部沸腾的情况，但不存在产生大量气泡的传热过程。内部蒸发可以形成许多用常规手段无法观察到的微观气体，因此可以大大增加液体吸收的能量。Peng等还从经典热力学相变理论入手，利用大量实测资料开展了半经验的物理理论分析，发现核态沸腾与实际热流量、热流体性质以及微通道尺寸等密切相关。Guo等利用实验现象揭示了垂直微尺度通道内核态沸腾换热的强化机理。一方面，当微尺度通道变小时微尺度通道内壁面上形成的薄层液膜可能导致气泡变形并相互摩擦，加速气泡脱离，从而显著提高换热率；另一方面，上升的气泡会与沿程壁面上的气泡发生碰撞，使其过早离开壁面，从而强化了换热作用。利用实验技术探究微尺度通道内核态沸腾换热的机理，发现流体的流动机理是影响微尺度通道内沸腾换热机制的重要因素。在流体流动的不同区域，换热的方式也是不一样的，比如初期以核态沸腾为主；随着空气干度的提高，对流换热作用显著增强；当空气干度提高至一定程度时，微尺度通道内壁面会出现部分“干涸”，换热效果会急剧恶化。刘冬等从集簇动力学的角度来解释微尺度管道内沸腾传热的机制。在核化阶段会出现集簇体积的增加，进一步会扰动压强，可能引发核聚沸点，从而决定相变的临界尺度。目前，一部分研究者认为，微通道的换热系数是热流压、过饱热压等的关键函数，与流体质量、气体种类等因素基本无关，所以认为微通道流体沸腾的原因主要是由于核态沸腾；而另一部分学者认为质量流体、工质中气泡份额也会对微通道流动沸腾散热产生重要影响。但是由于微通道流体沸腾的换热因素非常复杂，其包含的散热因素也较多，其换热机理等问题还有待进一步研究。

2 微通道流动沸腾冷却技术进展

目前，国内外学者在微通道流动沸腾冷却技术领域的研究主要集中在微通道结构、微通道布局结构以及微通道对沸腾传热的影响3个方面。

2.1 微通道结构形状研究进展

目前，微通道换热器主要包括微通道平行翅片换热器和微型针翅式换热器。水平波纹翅片微通道换热器的结构和生产较为简单，目前已在国内进行了较大规模的试验研发，截面形式大多集中在正方形、圆形、阶梯式和三角形等。Choi等、Jang等、Liu等和Hu等均对矩形微通道展开了大量实验研究，发现矩形平行翅片通道内两相沸腾传热系数是液体单相流动的3～20倍。与传统的微通道平行翅片换热器不同，微型针翅式换热器的设计相对复杂，冷却剂流动更加复杂。研究表明，与平行翅片换热器相比，采用微翅片的微型针翅式换热器可以有效改善传热效果，提高热流密度，从而有效地改善进出口流场分布。

2.2 微通道布局结构研究进展

微通道的布局结构也会影响散热效果。研究者在对微通道的布局结构提出了在直微通道上加入若干横断，使得微通道呈间断分布，可以起到扰流和均衡微通道之路压力的作用。自然界中存在的一些结构，如叶脉结构、人体气管结构、蛛网结构、蜂窝结构等拓扑结构具有相对较好的综合散热性能。研究者们还通过设置多层微通道来提升散热性能，各层微通道内工质流向可以是相同也可以是不同，每层截面结构也可以设计为可变结构。Mathew等对多层混合微通道和微间隙铜散热器中的流动沸腾进行了实验分析，发现与直通道相比，混合微通道中的沸腾更加稳定。

2.3 微通道沸腾传热影响因素研究进展

随着研究的深入，研究人员正将更多精力放在了解热通量、质量流率、蒸汽质量、水力直径和表面特性对沸腾传热的影响。Luo等发现热流密度和流形比对微通道中的热阻和压降有很大影响。使用翅片改进后的微通道也可以显著增强换热。凹腔微通道可促进气泡成核，提高气泡生成再现性和均匀性，降低沸腾起始点，提高临界热流密度，表面改性的微通道沸腾传热能力大幅提升，不同表面改性对气体产生和传热有不同作用。

3 微通道流动沸腾冷却技术的应用前沿

3.1 汽车空调应用

由于传统的氟利昂系列冷却剂对环境有着巨大的危害，蒙特利尔协议禁止了氟利昂系列冷却剂。 在汽车空调轻型、小型化的趋势下，微型通道气体冷却器可同时满足其对实用性、耐久性和安全性的多重需求。传统散热器使用圆筒式铜管，而微通 道散热器采用多孔扁状结构的铝管，其表面积比铜管大得多，体积却小得多，热交换能力更强，还可以减少 70% 的制冷剂用量，更适应汽车紧凑的结构。

3.2 微电子领域散热

随着微电子行业的飞速发展，其器件的积热问 题也日益凸显，散热技术成为微电子行业发展的 “瓶颈”之一。微通道换热器已成为微电子领域的 新型散热设备之一。

3.3 航空航天冷却散热

微通道冷却技术因其热传导效率高、结构紧凑、 质量轻和体积小的优点，受到了航空航天领域的关注。目前，微通道冷却技术已在发动机燃油室侧壁冷却、中超声速飞行器预冷器技术、涡轮叶片空气散热技术等领域获得了应用，对发动机的运行 安全起到重要作用。

4 结语

微通道流动沸腾散热具备质量小、稳定性好、 温度均匀性好、安全性高等优点，有望在散热设备领域中获得广泛应用。目前，研究者的主要任务之 一是在前人的研究基础上进一步扩大试验领域，包括扩大工质类型、在较广泛的工作参数范围内开展试验、改进微尺寸管道材质与设计参数等。微尺度管道内的流体特征、传热机制及其内在性质等还不够清楚，有待进一步深入探索。微通道流动沸腾散热领域未来的研究重点，可能是不同结构微通道流体沸腾换热过程的量化研究。

本文标题：微通道流动沸腾冷却技术及应用

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