微通道換熱器研究與應用進展綜述

梁 迪 李曉鳳 楊 卓 王 毅 劉蕓彤 孫艷博 張慧帆 葉佳琪

（天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

0 引言

微通道內的流動與傳熱現象憑借著其優異的換熱效率、高耐壓性、耐腐蝕、結構緊湊、節約成本諸多優勢[1]，被越來越多地應用于航空航天、電子信息技術、空調、微機電系統等領域。目前對于微通道換熱器的定義將水力直徑小于1mm 的換熱器稱為微通道換熱器。根據應用途徑分類，微通道換熱器可分為芯片冷卻和工業換熱兩大類。目前，對于微通道換熱器的研究主要集中于微通道內流體流動、換熱機理、微通道換熱器內部結構優化及結霜問題等方面。本文就微通道換熱器的結構、機理、應用等研究現狀進行了綜述。

1 微通道換熱器的研究現狀

1.1 微通道換熱器的流動特性

表面效應、稀薄效應、低雷諾效應等都是氣體流動微尺度效應的重要組成部分，經研究表明，微尺度效應下氣體流動的稀薄效應與大氣層中稀薄效應在物理上可完全等價，因此，可通過努森數對微尺度下的氣體流動進行判斷流動狀態，如：連續介質流、過渡流等，可為未來實驗研究提供參考[2]。對于微通道換熱器來說，其特征尺寸都在微米和亞毫米范圍內，因此研究其流動特性，要涉及到更加復雜的尺度效應，目前微通道換熱器的流動特性主要分為微尺度效應和入口段效應。

（1）微尺度效應

對于氣體的單相流動，當努塞爾數≥0.001 時，其傳熱和流動會受到氣體稀薄效應的影響。對于液體的單相流動，與常規尺度相比，微通道換熱器內流體粘性力和壓力大幅度增加，易引起流動場內密度分布的不均勻，因此不能簡單地視為不可壓縮流體來計算[3]。對于液體兩相流動而言，與常規尺度內界面現象的表面張力相比，微尺度通道影響更加顯著，使得轉換準則及流型分布發生變化，同時觀察到，微通道尺度內表面張力的影響一般集中在兩相微流動的初始階段[2]。張賽等[4]對基于微小通道尺度效應的冷板進行不同流速和不同通道尺寸的沸騰換熱數值研究，得出微小通道換熱裝置能更好的將沸騰傳熱的特性與微尺度效應結合在一起，高效利用高流密度傳遞能力的同時增大換熱量。張承武等[5]研究不同高度下微/小柱群內部在低雷諾數下的換熱特性，結果表明在實驗研究的微/小柱群中，當雷諾數小于20 時，由于微/小柱群內部所形成滯流區域，會導致裝置對流換熱情況的惡化。大量文獻表明，液體流動的微尺度效應中表面效應最為重要，不能效仿氣體流動根據努森數來判斷其流動狀態。比如：常規尺寸下的小寬高比矩形通道（寬高比趨于無窮?。浞职l展層流狀態在等熱流密度壁面條件下，努塞爾數最大達到8.23，在微尺度及其他條件相同條件下，充分發展層流下的努塞爾數可達9.20，原因是表面效應增強了微尺度對流傳熱效果。除此之外，對于液體微尺度效應的研究，還涉及到表面粗糙度、粘性耗散等因素[2]。

（2）入口段效應

宏觀條件下，流體通道，入口段長度可以忽略不計，但對于微通道換熱器尺寸來說，通道尺寸較小，入口段長度占通道長度的比例較大，此外，受到邊界層發展緩慢、應用領域要求等條件限制，此時入口段長度不可忽略不計[3]。入口效應與入口段相關，與充分發展段相比，入口段具有更加優越的換熱特性。寧曉茹[6]對矩形微通道層流進口段的輸運特性進行數值模擬，以此來深入了解進口段和充分發展段的流動換熱特性。蘇尚美等[7]對微通道換熱器微電子領域進行研究分析，指出集成元件上微通道無量綱長度L較小，當L=0.05 時，流動趨于充分發展狀態，此時流動入口段長度占總長度的12.5%。

1.2 微通道內流體的換熱

微通道流體的換熱現象按照流體相態可分為單相對流換熱、凝結換熱和沸騰換熱三種。凝結換熱和沸騰換熱的過程均伴隨著相變的對流傳熱，有著更高效的換熱性能。

1.2.1 單相對流換熱

微通道單相對流換熱的單相介質包括氣體和液體兩種，研究主要集中在管道布置方式、流體流動狀態、流體通道的幾何因素等幾個方面。Kihoon Li 等[8]在單相對流換熱實驗中提出一種可實現的逆流聯鎖雙層微通道散熱器，其特點是相鄰區域的流向相反，在低流速條件下，沿著流動方向，溫度的變化梯度最大。KhoudorKeniar 等[9]對單微通道內二氧化碳的流動現象進行了實驗研究。實驗發現壓降分別為0.70kPa，0.81kPa；熱流密度在15～72kW/m2之間時，隨著壓降和熱流密度的增加，傳熱系數增加。Balkrishna 等[10]測定了方形微通道中單相脈動層流的局部實驗傳熱系數，如圖1 所示，結果表明，在流動脈動頻率很低的情況下，通道內部的換熱量減少。

圖1 不同頻率下的相對換熱量[10]Fig.1 Relative heat exchange capacity at different frequencies

1.2.2 凝結換熱

微通道內的凝結換熱性能遠超于單相對流換熱。Khoudor Keniar 等[11]建立了微通道環形層流膜的冷凝模型并研究了七種不同的幾何形狀對傳熱系數的影響、建立了環形層流膜狀冷凝的模型。C P Liang 等[12]通過實驗探究冷凝條件下有干燥劑涂層的微通道換熱器的性能，發現低的冷卻水溫度不僅促進除濕，單位時間空氣的除濕率提高了192%，而且還提高熱回收效率。

1.2.3 沸騰換熱

針對如何提高沸騰換熱過程中換熱系數問題，國內外學者展開研究。Yaxian Zhang 等[13]研究R134a 為工質微通道散熱器內流動、沸騰特性及其相互影響，結果表明下游對上游的影響較弱，但上游散熱器的相變對下游散熱器的傳熱影響很大，實驗中測定的數據顯示下游散熱器的入口、出口均降低了2.5℃。Jiaqi Tang 等[14]實驗研究了膨脹區內微通道影響流動沸騰的強化傳熱系數的因素，如圖2所示，得出當質量流量為200kg·m-2·s-1時，在微通道中增加了三膨脹區，可以有效地使流動沸騰換熱系數提高了43.3%。

圖2 不同膨脹區數目和熱流密度下的熱傳導系數[14]Fig.2 HTCs under different number of expansion zones and heat flux density

1.3 微通道換熱器內部結構的優化

1.3.1 翅片形式及片間距

微通道換熱器主要由集流管、扁管、翅片等結構組成，因其傳熱表面積大，擾動流體邊界層等作用，汽車空調中廣泛采用的是對稱式百葉窗翅片換熱器。

JY Jang 等[15]對初始和不同的百葉窗翅片角度進行研究表明，變角度的百葉窗翅片綜合性能高于均勻角度的百葉窗翅片換熱器。楊林等[16]在普通矩形百葉窗的基礎上提出一種新型的斜針形百葉窗翅片，借助三維數值計算模型和經驗關系式進行研究，得出斜針形百葉窗翅片窗翅的最佳布置方式。A Okbaz 等[17]通過實驗研究確定和比較不同管排數、翅片間距和工況對百葉式和波浪形翅片式換熱器的傳熱和壓降特性的影響規律，結果顯示，百葉窗散熱片周期性起伏變化的幾何結構破壞了邊界層的形成，并減小其厚度，從而增強傳熱。董軍啟等[18]試驗研究20 種不同結構參數的扁管百葉窗翅片的傳熱和流動阻力性能，結果表明雷諾數相同條件下，隨著翅片間距的減少和翅片高度減少，傳熱因子j和摩擦因子f增大。如圖3 所示，圖中Fp表示翅片間距。

圖3 傳熱因子j 和摩擦因子f 與雷諾數的變化關系圖[18]Fig.3 The relationship between Heat transfer factor j,friction factor f and Reynolds number

1.3.2 微通道換熱器其他結構尺寸影響

微通道換熱器內部結構的優化除翅片及片間距外，還包括均流腔結構流量分配、截面積尺寸和流程結構對流量分配等的影響。

袁鑫森等[19]研究不同微通道入口結構和均流腔結構對并聯微通道間流量分配均勻性的影響，結果顯示均流腔與微通道入口連接的壁面弧度越小，微通道入口與后續直通道連接的壁面弧度越大，流量分配均勻性越好。Mahvi 等[20]實驗研究水平矩形和三角形均流腔對兩相流分布的影響，結果發現與矩形均流腔相比，三角形均流腔通常能夠改善流量分布，在測試條件下，平均液體歸一化標準差降低0.06，氣體歸一化標準差降低0.04。候志旭等[21]研究相同的芯體尺寸下，微通道平行流蒸發器流程結構和扁管改變對制冷劑流動的影響，結果顯示，保證蒸發器外形尺寸的條件下，僅將內部結構由2流程改為4 流程，制冷量比原蒸發器降低了2.1%～4.1%，制冷劑壓降增加了7.8%，出風側溫度均勻性明顯改善。高博等[22]研究截面積尺寸對微通道換熱器流量分配均勻性及壓降的影響，得出微通道換熱器通道面積不變時，當量直徑最大時，壓降最低，流量分配均勻性最好，如圖4 所示。

圖4 不同當量直徑對壓降的影響[22]Fig.4 Effect of different equivalent diameters on pressure drop

圖5 分流板結構圖[23]Fig.5 Structure diagram of splitter plate

1.3.3 集流管結構和流程布置

集流管結構的優化是微通道換熱器內部結構優化的重要組成部分，制冷劑流量分配不均會導致換熱器更易結霜，降低換熱器換熱效率等問題。

Shi 等[24]通過研究不同分流管結構對微通道蒸發器性能的影響及入口分流板處穿插分流板對換熱器內部流體分配的影響，結果顯示在入口集流管內插入多孔圓管，可有效改善換熱器內部分流情況。徐凱[25]通過改變集流管中節流板的位置和孔徑大小來調節制冷劑的流量分配，得出在集流管流動方向上設置兩個節流板能明顯改善流量分配不均勻現象。高志成[26]針對平行流換熱器集液管內分流板進行優化設計，研究得出三孔徑對稱型分流板（A1）比均勻孔徑分流板（A0）流量分配均勻性更高，如圖6、圖7 所示。

圖6 三種不同分流板結構[26]Fig.6 three different manifold structures

圖7 不同流量下四種換熱器模型總流量分配不均勻度[26]Fig.7 Unevenness of total flow distribution of four heat exchanger models at different flow rates

1.4 微通道換熱器結霜問題

微通道換熱器內結霜問題主要是由于外表面相對粗糙及表面殘留膜狀或珠狀水滴等因素造成，使得翅片換熱器更容易結霜且不易化除。

1.4.1 環境因素

目前影響微通道換熱器結霜的環境因素包括空氣溫度、換熱器翅片表面溫度以及迎風量等。

朱建民[27]研究了環境參數對微通道換熱器結霜性能的影響，結果顯示結霜厚度和增長速度、制冷量的衰減速度都受進風溫濕度和風速的影響。Zhang Ping 等[28]主要研究空氣相對濕度對微通道換熱器結霜周期的影響，研究表明較高的空氣濕度會導致霜層生長速度增加，換熱器結霜周期縮短。郭憲民等[29]研究不同迎面風速條件下微通道換熱器表面霜層生長特性，得出隨迎面風速的降低，換熱器表面霜層厚度增長速度加快，結霜周期近乎呈線性地減小，相對濕度越低，結霜周期下降的速度越快，如圖8 所示。

圖8 迎面風速對霜層厚度的影響[29]Fig.8 The effect of head-on wind speed on the thickness of the frost layer

龔建英等[30]建立空氣源熱泵蒸發器結霜動態參數模型，研究翅片溫度不均勻分布、霜層參數動態變化等因素影響，結果顯示翅片表面溫度分布存在梯度，導致霜在翅片上的分布不均勻，且越靠近翅根，翅片溫度越低，如圖9 所示。

圖9 翅片表面溫度和霜厚隨翅片微元變化關系圖[30]Fig.9 Relationship between fin surface temperature and frost thickness with fin microelements

1.4.2 結構因素

目前影響換熱器結霜的結構因素包括微通道換熱器的扁管尺寸、扁管間距、翅片形狀和翅片布置方式等。

Xu 等[31]實驗研究了微通道換熱器扁平管布置方向對循環結霜影響，結果表明，垂直扁管具有更好的排水性能和融霜性能，而水平扁管的結霜現象加重，結霜周期縮短。Park 等[32]研究相等和不相等的百葉窗翅片設計的霜凍生長均勻性，得出變間距結構的布置方式使得翅片之間結霜堵塞被延遲，換熱性能提高21%。江樂新等[33]、楊風葉等[34]研究變角度百葉窗結構對蒸發器性能的影響，通過對三種翅片的綜合性能j/f1/3比較（見圖10），結果發現變角度百葉窗翅片B 和C 的綜合性能均優于均勻角度百葉窗翅片A。

圖10 三種百葉窗翅片結構[33]Fig.10 Three kinds of louver fin structures

圖11 不同迎面風速下的綜合性能j/f1/3[33]Fig.11 Comprehensive performance j/f1/3 at different head-on wind speeds

1.5 微通道臨界熱流密度的研究

所謂的臨界熱流密度是指流體沸騰過程中，核態沸騰和膜態沸騰的邊界點；一旦熱流密度超過該值，加熱設備的過熱度將會瞬間提高，極易造成設備的燒毀。

AV Belyaev 等[35]測試了微通道高減壓條件下不同質量流量制冷劑流動沸騰的臨界熱流密度，如圖12 所示，在微通道中，隨著流體壓降的增大，臨界熱流密度逐漸下降。RémiRevellin 等[36]在30%的誤差范圍內預測了83%的水的臨界熱流密度數據，實驗結果與數值模擬結果比較如圖13 所示，大大改進了微通道臨界熱通量預測方法，有助于實驗數據預測的準確性。

圖12 近似相同的質量流量下壓降對臨界熱流密度的影 響[35]Fig.12 The effect of pressure drop on critical heat flux density at approximately the same mass flow

圖13 數值模擬與實驗測量數據對比[36]Fig.13 comparison of numerical simulation and experimental measurement data

2 微通道換熱器的應用

2.1 微通道換熱器在汽車空調的應用

汽車空調換熱器經歷了管片式、管帶式、微通道換熱器的更新換代過程。微通道換熱器與此前車用管帶式換熱器相比，壓降減小了70%～80%，整體的換熱性能提高約30%。孫亞松[37]綜述了近年來針對影響微通道換熱中結構的研究成果與進展，通過對研究成果的分析探討了微通道尺寸形狀等對其換熱效果的影響。劉運科[38]針對客車空調器中的微通道冷凝器進行實驗研究，結果顯示在相同制冷量情況下，與管片式換熱器相比，換熱器質量減少70%，制冷劑的充注量減少29%。葛昕[39]對汽車空調微通道換熱器結霜過程進行實驗研究，結果發現結霜速度在不同的環境溫度和濕度條件下是不同的，且表面結霜現象在不同流程的換熱器中結霜不均勻。

2.2 微通道換熱器在商業、家用空調的應用

目前微通道換熱器在家用、商用空調的應用成為研究的熱點，鋁制微通道換熱器的使用可明顯降低成本、提高產品的市場競爭力，促進微通道換熱器在商用、家用領域的應用。高強等[40]研發了特殊的微通道換熱器熱氣旁通除霜管和基于集流管折彎的換熱器局部結構，與原翅片管換熱器相比，該設備可顯著降低制冷劑充注量，提升低溫制熱性能。汪年結等[41]通過將微通道換熱器引入3HP 柜式家用空調，結果顯示系統的充注量降低近55%，制冷量提高0.8%，系統COP 則提高5.2%。郭霞齡等[42]對1.5HP 單冷R290 家用空調器進行整機性能配試，得出以微通道換熱器作為室外機冷凝器，可以滿足整機配試要求，并具備實際產品產業化應用的可行性。

2.3 微通道換熱器在微電子領域的應用

微通道換熱器在微電子領域的應用也較為廣泛。研究表明，當電子芯片溫度達到70～80℃后，性能受到嚴重影響[16]。微通道換熱器因其高效的傳熱能力，成為推動微電子產業發展的重要動力之一。

Yunfei Yan[43]通過采用數值模擬方法，研究了水凝膠包埋位置對分形微通道吸熱器自適應冷卻的影響，解決局部熱點引起的電子芯片故障。嵌入水凝膠的分形微通道散熱器可以處理更大范圍的熱流密度。楊晨光[44]研究了相同入流功率下不同單層微通道拓撲結構對中心有高熱流密度熱點芯片的散熱能力，結果表明相同入流功率下，Y 分形散熱能力最強，直槽結構最弱。李湘林[45]研究了注射成型工藝參數對環烯烴類共聚物微流控芯片微通道尺寸均勻性的影響規律，結果表明，工藝參數對微通道上寬的影響較大，對微通道深度影響較小。

2.4 微通道換熱器在其他領域的應用

微通道換熱器憑借其優異的性能，除在商用、家用、微電子等方面具有廣闊的應用前景外，在其他領域的應用也越來越多，如航空航天領域、材料科學領域、化學工程領域等。鄧大祥等[46]對微通道冷卻技術在航空航天領域的發動機燃燒室壁面冷卻、高超聲速飛行器預冷器系統、渦輪葉片散熱冷卻等應用進行歸納總結，強調微通道冷卻技術是當今航空航天領域的研究熱點和重要組成部分。盧佳敏等[47]對微流控技術應用在微/納米材料合成領域的應用做出歸納總結，為微/納米材料的合成提供了新的思路和方法，有助力于微通道設備在材料科學領域的發展和應用。陳玉嫻等[48]研究新型微通道設備系統對制備2-羥基-3-三氟甲基-5-硝基吡啶產物的影響，結果顯示新型微通道設備傳質和換熱性能優異，總換熱效率更高，能夠極大縮短反應周期。

3 總結與展望

本文回顧了微通道換熱器的研究現狀，對其流動特性、性能優勢等方面進行了總結，最后針對微通道換熱器不同方面的優勢介紹了在不同領域的應用。盡管對于微通道換熱器的研究已經取得了較大進展，但在實驗和應用中由于自身的缺陷和設計方法的不當，仍有很多缺陷阻止其大規模商業化的應用。根據國內外現有研究，本綜述認為可以從以下五個方面繼續發展：

（1）研究微通道分流板的流量分配試驗中，大多采用的工質是水，而制冷劑的兩相流動規律較復雜，影響因素較多，需進行更深入的研究；

（2）目前微通道蒸發器大多采用側面平整、翅片間距小的扁管和百葉窗翅片結構，而扁管不利于冷卻水的排放，容易引起微通道蒸發器的結霜。此外，目前主要研究微通道換熱器的結霜問題，而對于除霜問題需要進一步研究；

（3）不同流體工質在微通道換熱微槽道內的流動阻力、換熱特性與常規槽道內存在差異，需對此進行深入研究，以期掌握相應的流動阻力規律、換熱特性；

（4）微通道換熱器的制造、裝配、封裝因難度較大，仍是限制其廣泛應用的重要問題，隨著新科技和材料的研發應用，相關解決方案將會被逐步提出；

（5）微通道換熱器相關產品的檢驗方案及行業標準仍不齊備和統一，制度體系不夠嚴格，這對微通道換熱器的廣泛應用起到障礙作用，對于微通道行業的發展有所限制。

總而言之，微通道換熱器作為微型化換熱器的代表，憑借高換熱效率、強抗腐蝕性能、高抗壓性能、低成本、結構緊湊、運行安全可靠等優勢，能緩解傳統的落后的換熱裝置與先進的微型機械電子系統和微型化學機械系統之間的矛盾，是未來在汽車空調制冷、微機電系統、航空航天、現代醫療等領域的重要發展方向。盡管微型換熱裝置在設計、制造、裝配、密封技術和參數測量（無接觸測量技術）等技術方面還存在很多難點，但隨著釬焊領域的完善、行業標準的形成和蒸發器關鍵技術的解決，微通道換熱器必然在未來能得到廣泛應用。