微通道流動(dòng)沸騰冷卻技術(shù)及應(yīng)用

鄭 浩

（常州楊歧照明燈具有限公司,江蘇 常州 213101）

近些年來(lái)，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(lái)單一的自然制冷方法演變到了強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷、相變制冷、半導(dǎo)體制冷和電磁制冷等[1-6]。最常用的自然冷卻和溫控風(fēng)冷散熱能力已經(jīng)到達(dá)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(guò)基板上刻蝕的微尺度通道來(lái)散熱。其實(shí)現(xiàn)形式通常是指熱量通過(guò)基板傳導(dǎo)至微通道中流動(dòng)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(jiǎn)單、質(zhì)量小、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來(lái)高密度發(fā)熱電子設(shè)備散熱的方案之一[2-4]。微通道冷卻技術(shù)的出現(xiàn)與20 世紀(jì)80 年代高密集電子器件冷卻問(wèn)題有關(guān)，也與20 世紀(jì)90 年代出現(xiàn)的微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）散熱問(wèn)題有關(guān)。微通道散熱系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)芯片冷卻、航空航天等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景[5-15]。

如何通過(guò)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(lái)區(qū)分微通道是不合理的，因?yàn)楸仨氁紤]通道內(nèi)流體的類(lèi)型和特性。目前工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域普遍認(rèn)為，水力直徑小于1 mm 的通道都可以稱(chēng)為微通道[10]。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(xiàng)冷卻技術(shù)和發(fā)生相變的流動(dòng)沸騰（兩相）冷卻技術(shù)[7-8]。微通道單相制冷[9]，其冷卻介質(zhì)在整個(gè)制冷過(guò)程中始終保持一種狀態(tài)（一般為液態(tài)），不會(huì)在制冷過(guò)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[9]。但微通道單相冷卻系統(tǒng)也存在著一些問(wèn)題，例如當(dāng)需要散熱的器件封裝較大時(shí)，所需的微通道單相冷卻系統(tǒng)的微通道長(zhǎng)度會(huì)過(guò)長(zhǎng)，造成較大的進(jìn)出口溫差，可能會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件因溫度不均勻而熱失控[10]。如果需要解決這個(gè)問(wèn)題，需要非常高的工質(zhì)流速，但這也同時(shí)增加了系統(tǒng)的成本。而微通道流動(dòng)沸騰冷卻技術(shù)是解決單相冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口溫差較大問(wèn)題的方法之一。

微通道流動(dòng)沸騰冷卻技術(shù)利用的是流體在流動(dòng)-沸騰-冷凝過(guò)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(guò)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(dá)到與雙相換熱一樣的均溫性，則需要大功率的工質(zhì)泵，來(lái)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[7]，所以在工質(zhì)流量較小的情況下也可以達(dá)到更高的傳熱系數(shù)。這在高密集電路越來(lái)越小型化的今天，還是非常有優(yōu)勢(shì)的。和常規(guī)的單相流動(dòng)式換熱體系一樣，兩相冷卻技術(shù)在一定流量時(shí)系統(tǒng)的換熱系數(shù)對(duì)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(jìn)而可以降低設(shè)備的成本。因此為了研究需要，有必要對(duì)微通道散熱系統(tǒng)的研究進(jìn)行梳理。

1 微通道流動(dòng)沸騰冷卻機(jī)理研究

常規(guī)通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰與微通道中的差異在于，微通道中的流動(dòng)沸騰工質(zhì)流態(tài)大多為層流[11]。圖1 所示為均熱管內(nèi)流動(dòng)沸騰的流型演變，整個(gè)流動(dòng)沸騰區(qū)域可分為過(guò)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(duì)該課題開(kāi)展了較多的實(shí)驗(yàn)研究，也取得了較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是被普遍接受的微通道流動(dòng)沸騰熱交換系統(tǒng)機(jī)理尚未建立?，F(xiàn)有的研究方法大多來(lái)自實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有理論的結(jié)合[11-12]。

圖1 均勻加熱管內(nèi)流動(dòng)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(dòng)沸騰機(jī)理，發(fā)現(xiàn)雖然水的過(guò)冷度相對(duì)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(guò)冷度對(duì)于強(qiáng)烈的核態(tài)沸騰的影響并不顯著。Peng 等[13]提出了“蒸發(fā)空間”和“擬沸騰”2 個(gè)新概念，認(rèn)為除了滿(mǎn)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(jìn)行蒸發(fā)和氣泡形成。因此，他們將實(shí)現(xiàn)液體內(nèi)部汽化所需的最小尺度稱(chēng)為“蒸發(fā)空間”，只有當(dāng)液體尺度大于蒸發(fā)空間時(shí)，才會(huì)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(jìn)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(yuǎn)高于平衡態(tài)值，因此可以收集和儲(chǔ)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(guò)程[14]。內(nèi)部蒸發(fā)可以形成許多用常規(guī)手段無(wú)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(jīng)典熱力學(xué)相變理論入手，利用大量實(shí)測(cè)資料開(kāi)展了半經(jīng)驗(yàn)的物理理論分析，發(fā)現(xiàn)核態(tài)沸騰與實(shí)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[15]利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象揭示了垂直微尺度通道內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的強(qiáng)化機(jī)理。一方面，當(dāng)微尺度通道變小時(shí)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(huì)與沿程壁面上的氣泡發(fā)生碰撞，使其過(guò)早離開(kāi)壁面，從而強(qiáng)化了換熱作用。利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究微尺度通道內(nèi)核態(tài)沸騰換熱的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)流體的流動(dòng)機(jī)理是影響微尺度通道內(nèi)沸騰換熱機(jī)制的重要因素[15-16]。在流體流動(dòng)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(duì)流換熱作用顯著增強(qiáng)；當(dāng)空氣干度提高至一定程度時(shí)，微尺度通道內(nèi)壁面會(huì)出現(xiàn)部分“干涸”，換熱效果會(huì)急劇惡化。劉冬等[16]從集簇動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)解釋微尺度管道內(nèi)沸騰傳熱的機(jī)制。在核化階段會(huì)出現(xiàn)集簇體積的增加，進(jìn)一步會(huì)擾動(dòng)壓強(qiáng)，可能引發(fā)核聚沸點(diǎn)，從而決定相變的臨界尺度。目前，一部分研究者認(rèn)為，微通道的換熱系數(shù)是熱流壓、過(guò)飽熱壓等的關(guān)鍵函數(shù)，與流體質(zhì)量、氣體種類(lèi)等因素基本無(wú)關(guān)，所以認(rèn)為微通道流體沸騰的原因主要是由于核態(tài)沸騰[17-19]；而另一部分學(xué)者認(rèn)為質(zhì)量流體、工質(zhì)中氣泡份額也會(huì)對(duì)微通道流動(dòng)沸騰散熱產(chǎn)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(fù)雜，其包含的散熱因素也較多，其換熱機(jī)理等問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。

2 微通道流動(dòng)沸騰冷卻技術(shù)進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在微通道流動(dòng)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(duì)沸騰傳熱的影響3 個(gè)方面[23-42]。

2.1 微通道結(jié)構(gòu)形狀研究進(jìn)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(jiǎn)單，目前已在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了較大規(guī)模的試驗(yàn)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[22]、Jang等[23]、Liu 等[24]和 Hu 等[25]均對(duì)矩形微通道展開(kāi)了大量實(shí)驗(yàn)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(dòng)的3～20 倍[26-27]。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(jì)相對(duì)復(fù)雜，冷卻劑流動(dòng)更加復(fù)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(jìn)出口流場(chǎng)分布。

2.2 微通道布局結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

微通道的布局結(jié)構(gòu)也會(huì)影響散熱效果。研究者在對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有相對(duì)較好的綜合散熱性能[39-40]。研究者們還通過(guò)設(shè)置多層微通道來(lái)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(jì)為可變結(jié)構(gòu)[41-42]。Mathew 等[31]對(duì)多層混合微通道和微間隙銅散熱器中的流動(dòng)沸騰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(duì)沸騰傳熱的影響。Luo 等[32]發(fā)現(xiàn)熱流密度和流形比對(duì)微通道中的熱阻和壓降有很大影響。使用翅片改進(jìn)后的微通道也可以顯著增強(qiáng)換熱[35]。凹腔微通道可促進(jìn)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(diǎn)，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(duì)氣體產(chǎn)生和傳熱有不同作用[36-38]。

3 微通道流動(dòng)沸騰冷卻技術(shù)的應(yīng)用前沿

3.1 汽車(chē)空調(diào)應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的氟利昂系列冷卻劑對(duì)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(chē)空調(diào)輕型、小型化的趨勢(shì)下，微型通道氣體冷卻器可同時(shí)滿(mǎn)足其對(duì)實(shí)用性、耐久性和安全性的多重需求[42]。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(qiáng)，還可以減少70%的制冷劑用量，更適應(yīng)汽車(chē)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(wèn)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(diǎn)，受到了航空航天領(lǐng)域的關(guān)注[43-44]。目前，微通道冷卻技術(shù)已在發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全起到重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

微通道流動(dòng)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(diǎn)，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(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)領(lǐng)域，包括擴(kuò)大工質(zhì)類(lèi)型、在較廣泛的工作參數(shù)范圍內(nèi)開(kāi)展試驗(yàn)、改進(jìn)微尺寸管道材質(zhì)與設(shè)計(jì)參數(shù)等。微尺度管道內(nèi)的流體特征、傳熱機(jī)制及其內(nèi)在性質(zhì)等還不夠清楚，有待進(jìn)一步深入探索。微通道流動(dòng)沸騰散熱領(lǐng)域未來(lái)的研究重點(diǎn)，可能是不同結(jié)構(gòu)微通道流體沸騰換熱過(guò)程的量化研究。