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。

关键词：微通道 流动沸腾 传热机理

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。*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。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。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，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。