微通道流動沸騰冷卻技術及應用

鄭 浩

（常州楊歧照明燈具有限公司,江蘇 常州 213101）

近些年來，隨著制冷技術在工程應用和基礎理論研究等方面的不斷深入，制冷方法也逐漸產生了多樣化，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、半導體制冷和電磁制冷等[1-6]。最常用的自然冷卻和溫控風冷散熱能力已經到達了極限。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。其實現形式通常是指熱量通過基板傳導至微通道中流動的工作流體，再由工作流體傳導至器件外。微通道散熱系統由于具有溫度均勻性好、設備系統結構簡單、質量小、運行穩定等優點，有望成為未來高密度發熱電子設備散熱的方案之一[2-4]。微通道冷卻技術的出現與20 世紀80 年代高密集電子器件冷卻問題有關，也與20 世紀90 年代出現的微機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）散熱問題有關。微通道散熱系統在計算機芯片冷卻、航空航天等領域有廣闊的發展前景[5-15]。

如何通過尺寸等參數區分常規通道與微通道這一課題，目前尚未有明確的學術定義。僅依據尺寸來區分微通道是不合理的，因為必須要考慮通道內流體的類型和特性。目前工業應用領域普遍認為，水力直徑小于1 mm 的通道都可以稱為微通道[10]。根據微通道內流體是否發生相變，可以將微通道散熱分為不發生相變的單項冷卻技術和發生相變的流動沸騰（兩相）冷卻技術[7-8]。微通道單相制冷[9]，其冷卻介質在整個制冷過程中始終保持一種狀態（一般為液態），不會在制冷過程中發生相變反應。與常規單相冷卻系統相比，微通道單相冷卻系統在相同體積下傳熱面積大，具有微尺度效應，整體散熱性能更高。目前，微通道內單相傳熱的研究已經較為充分[9]。但微通道單相冷卻系統也存在著一些問題，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的微通道長度會過長，造成較大的進出口溫差，可能會導致半導體器件因溫度不均勻而熱失控[10]。如果需要解決這個問題，需要非常高的工質流速，但這也同時增加了系統的成本。而微通道流動沸騰冷卻技術是解決單相冷卻系統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利用的是流體在流動-沸騰-冷凝過程中的熱效應。在多數情況下，散熱器壁溫始終高于作為工質的流體，因此在液體沸騰過程中，工質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泵，來提高工質流速。這就需要提高散熱器的成本；且通常功率越大的工質泵體積也越大，也不利于散熱器的小型化。兩相換熱利用了工質的潛熱[7]，所以在工質流量較小的情況下也可以達到更高的傳熱系數。這在高密集電路越來越小型化的今天，還是非常有優勢的。和常規的單相流動式換熱體系一樣，兩相冷卻技術在一定流量時系統的換熱系數對流速變化并不敏感，這一特性也將導致更多工質循環泵都不必保持精確的流速，進而可以降低設備的成本。因此為了研究需要，有必要對微通道散熱系統的研究進行梳理。

1 微通道流動沸騰冷卻機理研究

常規通道內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流態大多為層流[11]。圖1 所示為均熱管內流動沸騰的流型演變，整個流動沸騰區域可分為過冷沸騰區和飽和沸騰區，流型包括泡狀流、彈狀流、環狀流、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據。但是被普遍接受的微通道流動沸騰熱交換系統機理尚未建立。現有的研究方法大多來自實驗結果與現有理論的結合[11-12]。

圖1 均勻加熱管內流動沸騰下的流型演變[11]Fig. 1 Flow pattern evolution under boiling flow in uniform heating tubes[11]

彭曉峰等[12]研究了微尺度通道流動沸騰機理，發現雖然水的過冷度相對較高，但在初始沸騰后較快轉為核態沸騰，從而有效提升傳熱效果，與常規管道中的核態沸騰有很大的區別。流速和過冷度對于強烈的核態沸騰的影響并不顯著。Peng 等[13]提出了“蒸發空間”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和氣泡形成。因此，他們將實現液體內部汽化所需的最小尺度稱為“蒸發空間”，只有當液體尺度大于蒸發空間時，才會在液體內部發生沸騰和氣泡形成。而核態沸騰的增加，則用“擬沸騰”進行解釋。擬沸騰現象具有不同于通常平衡狀態的熱物理參數，液體處于不穩定的熱力學非平衡狀態，其比熱容遠高于平衡態值，因此可以收集和儲存大量的熱量，未蒸發的液體雖然有內部沸騰的情況，但不存在產生大量氣泡的傳熱過程[14]。內部蒸發可以形成許多用常規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[13]還從經典熱力學相變理論入手，利用大量實測資料開展了半經驗的物理理論分析，發現核態沸騰與實際熱流量、熱流體性質以及微通道尺寸等密切相關。Guo 等[15]利用實驗現象揭示了垂直微尺度通道內核態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壁面上形成的薄層液膜可能導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。利用實驗技術探究微尺度通道內核態沸騰換熱的機理，發現流體的流動機理是影響微尺度通道內沸騰換熱機制的重要因素[15-16]。在流體流動的不同區域，換熱的方式也是不一樣的，比如初期以核態沸騰為主；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，微尺度通道內壁面會出現部分“干涸”，換熱效果會急劇惡化。劉冬等[16]從集簇動力學的角度來解釋微尺度管道內沸騰傳熱的機制。在核化階段會出現集簇體積的增加，進一步會擾動壓強，可能引發核聚沸點，從而決定相變的臨界尺度。目前，一部分研究者認為，微通道的換熱系數是熱流壓、過飽熱壓等的關鍵函數，與流體質量、氣體種類等因素基本無關，所以認為微通道流體沸騰的原因主要是由于核態沸騰[17-19]；而另一部分學者認為質量流體、工質中氣泡份額也會對微通道流動沸騰散熱產生重要影響[20-22]。但是由于微通道流體沸騰的換熱因素非常復雜，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進展

目前，國內外學者在微通道流動沸騰冷卻技術領域的研究主要集中在微通道結構、微通道布局結構以及微通道對沸騰傳熱的影響3 個方面[23-42]。

2.1 微通道結構形狀研究進展

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構和生產較為簡單，目前已在國內進行了較大規模的試驗研發，截面形式大多集中在正方形、圓形、階梯式和三角形等。Choi 等[22]、Jang等[23]、Liu 等[24]和 Hu 等[25]均對矩形微通道展開了大量實驗研究，發現矩形平行翅片通道內兩相沸騰傳熱系數是液體單相流動的3～20 倍[26-27]。與傳統的微通道平行翅片換熱器不同，微型針翅式換熱器的設計相對復雜，冷卻劑流動更加復雜[27-29]。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[30-31]，提高熱流密度，從而有效地改善進出口流場分布。

2.2 微通道布局結構研究進展

微通道的布局結構也會影響散熱效果。研究者在對微通道的布局結構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構，如葉脈結構、人體氣管結構、蛛網結構、蜂窩結構等拓撲結構具有相對較好的綜合散熱性能[39-40]。研究者們還通過設置多層微通道來提升散熱性能，各層微通道內工質流向可以是相同也可以是不同，每層截面結構也可以設計為可變結構[41-42]。Mathew 等[31]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，發現與直通道相比，混合微通道中的沸騰更加穩定。

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、質量流率、蒸汽質量、水力直徑和表面特性對沸騰傳熱的影響。Luo 等[32]發現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[35]。凹腔微通道可促進氣泡成核，提高氣泡生成再現性和均勻性，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生和傳熱有不同作用[36-38]。

3 微通道流動沸騰冷卻技術的應用前沿

3.1 汽車空調應用

由于傳統的氟利昂系列冷卻劑對環境有著巨大的危害，蒙特利爾協議禁止了氟利昂系列冷卻劑。在汽車空調輕型、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[42]。傳統散熱器使用圓筒式銅管，而微通道散熱器采用多孔扁狀結構的鋁管，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，更適應汽車緊湊的結構。

3.2 微電子領域散熱

隨著微電子行業的飛速發展，其器件的積熱問題也日益凸顯，散熱技術成為微電子行業發展的“瓶頸”之一。微通道換熱器已成為微電子領域的新型散熱設備之一。

3.3 航空航天冷卻散熱

微通道冷卻技術因其熱傳導效率高、結構緊湊、質量輕和體積小的優點，受到了航空航天領域的關注[43-44]。目前，微通道冷卻技術已在發動機燃油室側壁冷卻、中超聲速飛行器預冷器技術、渦輪葉片空氣散熱技術等領域獲得了應用，對發動機的運行安全起到重要作用。

4 結語

微通道流動沸騰散熱具備質量小、穩定性好、溫度均勻性好、安全性高等優點，有望在散熱設備領域中獲得廣泛應用。目前，研究者的主要任務之一是在前人的研究基礎上進一步擴大試驗領域，包括擴大工質類型、在較廣泛的工作參數范圍內開展試驗、改進微尺寸管道材質與設計參數等。微尺度管道內的流體特征、傳熱機制及其內在性質等還不夠清楚，有待進一步深入探索。微通道流動沸騰散熱領域未來的研究重點，可能是不同結構微通道流體沸騰換熱過程的量化研究。