沸騰換熱條件下燒結(jié)微通道底厚效應(yīng)研究

摘 要： 微通道沸騰換熱在電子器件散熱和新能源等領(lǐng)域有著極佳的應(yīng)用前景，其性能提升廣受關(guān)注.針對燒結(jié)并聯(lián)微通道，以去離子水為工質(zhì)，研究了燒結(jié)底厚效應(yīng)對沸騰換熱性能的影響，測試質(zhì)量通量為41 kg/（m2·s）， 入口溫度是60 ℃.并聯(lián)微通道采用30 μm粒徑樹枝型銅粉燒結(jié)而成，燒結(jié)底層厚度分別為200、400、600和1 000 μm.研究發(fā)現(xiàn)：30 μm粒徑系列，200 μm底厚樣品沸騰換熱系數(shù)最大，其臨界熱流密度（citical heat flux，CHF）可達(dá)到120 W/cm2，并可在中高熱流維持較高的換熱系數(shù).壓力脈動(dòng)和可視化觀察表明：過大或過小底厚的樣品會(huì)引起較大的壓力和溫度脈動(dòng)，易造成爆炸沸騰和供液的嚴(yán)重不暢，而較優(yōu)的底厚則可大大抑制壓力和溫度脈動(dòng).燒結(jié)微通道存在最佳的底厚粒徑比范圍.

關(guān)鍵詞： 燒結(jié)；微通道；底厚；流動(dòng)沸騰；汽液兩相流

中圖分類號(hào)：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-4807（2025）01-065-06

Layer thickness effect of sintered microchannelsunder boiling heat transfer conditions

FENG Lei ， ZHANG Donghui*， HUANG Jun， XU Jian，LU Jinming

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：[WT]Microchannel boiling heat transfer has excellent application prospects in the fields of heat dissipation of electronic devices and new energy， and its performance enhancement has attracted much attention. In this paper， the effect of sintered bottom thickness on the performance of boiling heat transfer was investigated for sintered parallel microchannels using deionized water as the work medium， with a mass flux of 41 kg/（m2·s） and an inlet temperature of 60 ℃. The parallel microchannels were made of sintered dendritic copper powders of 30 μm particle size， and the thicknesses of sintered bottoms were 200， 400， 600， and 1 000 μm. It was found that the boiling heat transfer coefficients of the samples were the largest for the 30 μm and 200 μm thickness size series of which CHF could reach 136 W/cm2， and could maintain a high heat transfer coefficient in the middle and high heat flow. Pressure pulsation and visualization observations show that samples with too large or too small bottom thicknesses cause large pressure and temperature pulsations， which can lead to explosive boiling and severe malfunctioning of the liquid supply， while optimal bottom thicknesses can greatly suppress pressure and temperature pulsations. An optimal range of bottom thickness to particle size ratios exists for sintered microchannels.

Key words：sintering， microchannel， layer thickness， flow boiling， two-phase flow

電子器件的散熱問題近年受到業(yè)界的高度關(guān)注，微通道流動(dòng)沸騰換熱表現(xiàn)出的高傳熱性可成為一種高效的熱管理解決方案[1-3].但在中高熱流階段下會(huì)出現(xiàn)因返流現(xiàn)象而引發(fā)的供液不暢問題，限制了其性能的進(jìn)一步提升[4].近年來，越來越多的研究人員致力于提升微通道流動(dòng)沸騰換熱性能[5-7]，其中燒結(jié)微通道流動(dòng)沸騰換熱是一個(gè)重要的研究方向.在高熱流階段，燒結(jié)微通道結(jié)構(gòu)雖然也難以避免返流現(xiàn)象.但由于其良好毛細(xì)供液性能，可大大緩解后半段區(qū)域的干涸問題，從而極大提升臨界熱流密度（citical heat flux，CHF）極限.文獻(xiàn)[8]研究了燒結(jié)層厚度對池沸騰性能的影響，根據(jù)性能變化規(guī)律，認(rèn)為存在3種厚度類型：微層型、過渡型和厚層型.對于微層型樣品，沸騰換熱系數(shù)和CHF均隨著燒結(jié)層厚度增加而增加；而對于厚層型，兩者均隨著燒結(jié)層厚度的增加而下降.文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)：對于多孔涂層的流動(dòng)沸騰換熱，存在最優(yōu)厚度，在低熱流密度下，隨著燒結(jié)層厚度的增加，換熱系數(shù)先增大后減小；而隨著熱流密度的增大，排汽阻力和熱阻的影響越來越大.文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)：對于沉積法制備的納米涂層（粒徑20 nm），存在一個(gè)最佳涂層厚度，使其沸騰換熱系數(shù)和CHF達(dá)到最大值，并驗(yàn)證了相關(guān)的CHF模型，CHF主要由涂層導(dǎo)熱效應(yīng)和毛細(xì)吸液兩者決定.綜上所述，燒結(jié)底層的的厚度效應(yīng)（簡稱底厚效應(yīng)）對流動(dòng)沸騰的影響研究仍然相當(dāng)缺乏.文中針對不同底厚的的燒結(jié)微通道，使用去離子水作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，進(jìn)行流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，分析燒結(jié)層厚度對于流動(dòng)沸騰換熱性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1，主要由工質(zhì)輸送系統(tǒng)和性能測試系統(tǒng)兩部分組成.

工質(zhì)輸送系統(tǒng)由恒溫水箱、微型齒輪泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、熱沉室、節(jié)流閥和儲(chǔ)水箱構(gòu)成.去離子水在微型齒輪泵的作用下從恒溫水箱流出，經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)和節(jié)流閥到達(dá)性能測試端，通過熱沉室后產(chǎn)生的過熱蒸汽最終流入儲(chǔ)水裝置收集.

性能測試主要由溫度壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成.去離子水進(jìn)入熱沉室后由壓力傳感器檢測進(jìn)出口壓力，熱電阻傳感器測量進(jìn)出口水溫.帶燒結(jié)微通道的小銅塊兩側(cè)布置了6個(gè)測溫孔，最上面的3個(gè)測溫孔用于測量銅塊上表面溫度，下側(cè)3個(gè)測溫孔記錄的溫度數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證熱流均勻性，加熱銅塊沿中心線縱向布置2個(gè)測溫口，用以檢測輸入加熱量.下半部分設(shè)有6個(gè)加熱棒孔，單根加熱棒功率為 300 W.6根電加熱棒提供熱量，由可調(diào)功率直流電源供電.溫度壓力數(shù)據(jù)采集由NI壓力采集卡和安捷倫溫度采集卡完成.高速攝像機(jī)負(fù)責(zé)拍攝沸騰流型演變，并與NI采集卡同步設(shè)置.

1.2 熱沉室和燒結(jié)微通道

圖2為熱沉室示意圖，由上蓋板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、加熱銅塊和絕熱底座組成.上蓋板材質(zhì)為PC，有利于實(shí)驗(yàn)過程中的可視化觀測.圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用PEEK材料，對加熱銅塊起圍護(hù)和密封作用，可大幅減少熱沉室散熱損失.底座為玻璃纖維材料加工而成，加熱銅塊材質(zhì)為紫銅，其上部呈矩形銅柱型，下側(cè)均勻分布6個(gè)圓形貫穿式加熱棒孔.帶燒結(jié)微通道的小銅塊通過錫銀銅焊片焊接于加熱銅塊頂部.

圖3為燒結(jié)微通道結(jié)構(gòu)尺寸圖，燒結(jié)微通道由22個(gè)微通道組成，中間含23根肋片， 肋高12 mm.通道寬度和肋寬度均為0.6 mm.不同通道燒結(jié)底層厚度如圖4，燒結(jié)底厚δ分別為200、400、600和1 000 μm.

1.3 樣品結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)選取了30 μm粒徑的樹枝狀銅粉進(jìn)行性能研究，銅粉經(jīng)過篩分后均勻填于石墨模具內(nèi)，小銅塊覆蓋在石墨模具后在氫氣和氧氣氛圍下的燒結(jié)爐內(nèi)完成定型燒結(jié).

文中通過“粒徑-底厚”的方法區(qū)分對不同規(guī)格的樣品，底厚粒徑比用δ/d表示.例如“粒徑30 μm、底厚200 μm、并聯(lián)微通道” 樣品可表示為“PM-30-200”，其底厚粒徑比為δ/d=6.7.

2 數(shù)據(jù)處理和誤差分析

2.1 沸騰換熱系數(shù)計(jì)算方法

2.2 誤差分析

實(shí)驗(yàn)中的質(zhì)量通量、進(jìn)出口壓力和加熱功率（直流電源）的相對不確定度如表1.

2.3 熱效率和飽和溫度修正

在實(shí)驗(yàn)中，微通道進(jìn)出口壓力變化會(huì)直接影響工質(zhì)的飽和溫度.實(shí)測表明：當(dāng)質(zhì)量通量較小時(shí)，熱沉室熱效率較小，在80%～90%；而質(zhì)量通量較大時(shí)，熱沉室熱效率會(huì)達(dá)到90%～95%.

這里將進(jìn)出口壓力的平均值近似看成微通道的飽和壓力，利用商業(yè)軟件計(jì)算出飽和壓力所對應(yīng)的飽和溫度，對沸騰曲線進(jìn)行相應(yīng)修正.

3 燒結(jié)微通道的傳熱特性

圖5是30 μm粒徑下不同底厚樣品所對應(yīng)的沸騰曲線，質(zhì)量通量為41 kg/（m2·s）， 入口溫度是60 ℃.不同底厚對燒結(jié)微通道的起始壁面過熱度影響較小，起始熱流密度范圍在16～22 W/cm2.在沸騰發(fā)生后底厚效應(yīng)的作用開始凸顯，在相同熱流密度下200 μm底厚樣品壁面過熱度最低，這是因?yàn)榈缀褫^小樣品在中高熱流階段排汽阻力較小，供液順暢，性能表現(xiàn)較好.在熱流密度90 W/cm2左右，各底厚樣品的沸騰曲線斜率發(fā)生明顯變緩，這意味著在換熱過程中的性能趨于惡化.對于CHF，200 μm底厚樣品可達(dá)到約120 W/cm2， 而1 000 μm底厚樣品最高只能達(dá)到 90 W/cm2左右，就會(huì)發(fā)生沸騰危機(jī).

圖6是30 μm粒徑下不同底厚樣品所對應(yīng)的換熱系數(shù)曲線，單相對流階段各樣品的換熱系數(shù)曲線幾乎是重合的.16～22 W/cm2以后各樣品漸次進(jìn)入沸騰，換熱系數(shù)均呈先增加至峰值然后逐漸減小的趨勢，其中200 μm底厚樣品換熱系數(shù)達(dá)到了100 kW/（m2·K），表現(xiàn)出最佳的換熱性能.而1 000 μm底厚樣品在相同熱流密度時(shí)的換熱系數(shù)只有70 kW/（m2·K）.

4 壓力脈動(dòng)和可視化

4.1 壓力脈動(dòng)分析

文中對30 μm系列不同底厚燒結(jié)樣品進(jìn)行壓力脈動(dòng)研究，質(zhì)量通量G=41 kg/（m2·s）， 加熱功率為850 W，入口溫度60 ℃.

圖7（a）為30 μm粒徑200 μm底厚的壓力脈動(dòng)曲線.圖中發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)呈小振幅波動(dòng)，最大脈動(dòng)幅值為3 kPa左右，進(jìn)出口壓力分別在14 kPa和11 kPa上下小幅波動(dòng).通過壓力曲線的變化可以看出其在高熱流階段供液順暢，脈動(dòng)幅值較小，進(jìn)出口壓力較低.400 μm底厚樣品的壓力脈動(dòng)曲線如圖7（b），脈動(dòng)曲線的周期性變化較為明顯.進(jìn)出口壓力波動(dòng)較大，進(jìn)口壓力最大值為27 kPa，壓力脈動(dòng)幅值達(dá)到了21 kPa.此時(shí)通道內(nèi)處于薄液膜蒸發(fā)階段，排汽阻力增大，壓力曲線的壓力脈動(dòng)幅值較大.圖7（c）為600 μm底厚樣品的壓力脈動(dòng)曲線.可以看出600 μm底厚樣品進(jìn)出口壓力脈動(dòng)振幅為2～18 kPa.這主要是由于燒結(jié)層內(nèi)的蒸汽阻力變大，供液不暢，沸騰不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致了脈動(dòng)幅值的升高.1 000 μm底厚樣品的壓力脈動(dòng)曲線如圖7（d），看出脈動(dòng)曲線的周期性較為明顯，呈現(xiàn)出陡升陡降的變化特點(diǎn).最大進(jìn)口壓力達(dá)到了31 kPa.脈動(dòng)為2～30 kPa.從相關(guān)可視化也看出，流體進(jìn)液困難，通道內(nèi)的換熱情況惡化，進(jìn)出口壓力迅速升高.[FL）]

4.2 可視化分析

為深入研究底厚粒徑比對流動(dòng)沸騰的影響，對30 μm粒徑樣品進(jìn)行可視化采集，采集幀率200幀/秒.質(zhì)量通量均為41 kg/（m2·s）， 入口溫度60 ℃.

如圖8為30 μm粒徑200 μm底厚樣品在熱流密度為97.2 W/cm2的可視化圖像.

t0時(shí)，通道進(jìn)口端下側(cè)通流，通道中間出現(xiàn)小面積的干涸區(qū)域，此時(shí)供液情況良好呈現(xiàn)出穩(wěn)定的搖擺進(jìn)液狀態(tài).t0+150 ms，通道進(jìn)口端汽泡向下生長，入流通道轉(zhuǎn)移到下側(cè)，原來通道中的干涸區(qū)域被來流潤濕.t0+260 ms，下側(cè)汽泡消失，入流區(qū)域擴(kuò)大，供液順暢.t0+385 ms時(shí)大汽團(tuán)向上收縮，來流對下側(cè)干涸區(qū)域進(jìn)行濕潤，通流情況進(jìn)一步改善.對于PM-30-200樣品，在此熱流下，樣品盡管有被汽團(tuán)堵塞的情況，但在大部份時(shí)段內(nèi)，都有一側(cè)可以通流，干涸區(qū)域也在不斷變化中，沸騰換熱性能較佳.

30 μm粒徑1 000 μm底厚樣品在熱流密度為95.5 W/cm2的可視化圖像如圖9.

t0時(shí)通道進(jìn)口中間區(qū)域入流，此時(shí)壁面過熱度較高，沸騰不穩(wěn)定性較為明顯.t0+280 ms時(shí)通道進(jìn)口上側(cè)被汽泡堵塞，流體從通道中下側(cè)供液，通道后半段區(qū)域無法被來流潤濕而干涸，汽泡堵塞在孔隙中，通道下方來流進(jìn)液受阻從而引發(fā)返流現(xiàn)象.t0+730 ms時(shí)由于薄液膜蒸發(fā)過程，進(jìn)口區(qū)域重新形成大氣團(tuán)，進(jìn)液困難，局部干涸現(xiàn)象十分明顯.t0+1 180 ms時(shí)通道下側(cè)進(jìn)液，通流區(qū)域擴(kuò)大，由于氣泡生長空間受限通道中間區(qū)域又出現(xiàn)返流現(xiàn)象.由此也可以看到，對于PM-30-1 000樣品，通道中后半段易處于干涸狀態(tài)，很難通過來流進(jìn)行有效的濕潤，只能通過毛細(xì)供液維持熱平衡，容易造成較高的壁溫.

4.3 底厚粒徑比的影響

文中采用最大換熱系數(shù)和CHF來衡量不同底厚樣品的綜合沸騰換熱性能，如圖10.對于30 μm粒徑樣品來說，底厚粒徑比為6.7時(shí)換熱性能最佳，最大換熱系數(shù)達(dá)到100 kW/（m2·K），CHF為120 W/cm2.研究表明：對于燒結(jié)微通道的流動(dòng)沸騰換熱，存在最佳的底厚粒徑比范圍.

5 結(jié)論

文中研究了30 μm粒徑在燒結(jié)底層厚度分別為200、400、600和1 000 μm時(shí)的沸騰換熱性能表現(xiàn)，得出結(jié)果如下：

（1） 底厚對于沸騰換熱性能有顯著影響，對于30 μm粒徑系列，200 μm底厚樣品綜合性能較佳，1 000 μm底厚樣品性能較差.

（2） 結(jié)合壓力脈動(dòng)和可視化觀察發(fā)現(xiàn)：過大的底厚樣品常出現(xiàn)大面積干涸，易造成爆炸沸騰和供液的嚴(yán)重不暢.較優(yōu)的底厚可大大抑制壓力和溫度脈動(dòng)，沸騰換熱效果達(dá)到最佳.最優(yōu)的底厚粒徑比為6.7左右.

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（責(zé)任編輯：曹莉）