毛紀(jì)金，張東輝，孫利利，雷欽暉，屈健

（1 江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2 江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著微能源和微化工系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，設(shè)備熱流密度大幅提升，微通道沸騰散熱系統(tǒng)受到關(guān)注，它通過兩相流動(dòng)沸騰帶走電子器件的熱量，具有高傳熱系數(shù)與低工質(zhì)需求量等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效減小了設(shè)備體積和重量。由于汽泡生長(zhǎng)空間的受限，傳統(tǒng)微通道在沸騰過程中容易出現(xiàn)汽泡堵塞通道現(xiàn)象，從而引發(fā)返流問題，進(jìn)口工質(zhì)無法順暢進(jìn)入微通道中，使其難以發(fā)揮優(yōu)良的換熱性能。近年來，很多學(xué)者在進(jìn)一步提升微通道換熱性能方面進(jìn)行了很多嘗試，燒結(jié)多孔微通道是其中非常重要的研究方向。

Sun 等研究了帶燒結(jié)底層的扁平通道的流動(dòng)沸騰換熱性能，發(fā)現(xiàn)其沸騰傳熱系數(shù)比光滑表面高出數(shù)倍，與光滑表面相比，微多孔表面的成核址密度大大增加，汽泡脫離直徑減小40%～50%，脫落頻率顯著加快。但Sun等的工作主要針對(duì)帶燒結(jié)底層的扁平通道，換熱性能并不突出。Chen等通過系列研究發(fā)現(xiàn)：較之銅基微通道，燒結(jié)并聯(lián)微通道可提升沸騰換熱性能300%，并使壓力脈動(dòng)降低60%，但其研究對(duì)燒結(jié)微通道內(nèi)的沸騰換熱機(jī)理缺乏深入的研究，沒有進(jìn)行相關(guān)的可視化分析。華南理工大學(xué)的Deng 等發(fā)現(xiàn)內(nèi)凹形燒結(jié)并聯(lián)微通道在提高單相對(duì)流溫度均勻性、降低壁面過熱度、強(qiáng)化兩相沸騰傳熱性能、抑制壓力脈動(dòng)等方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，其兩相沸騰傳熱系數(shù)可達(dá)到銅基微通道的2～5倍；該課題組還使用燒結(jié)方法及電火花加工工藝制造出一種多孔交錯(cuò)互通微通道，其孔隙率只有38%。以水為流動(dòng)工質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)：由于通道在底部是互相通順的，可以使沸騰后產(chǎn)生的汽泡充分發(fā)展，可以有效抑制沸騰的不穩(wěn)定，提高換熱性能。但華南理工大學(xué)的燒結(jié)微通道性能并不突出，未展現(xiàn)燒結(jié)微通道的換熱潛力。Liter 和Kaviany采取熱壓燒結(jié)法制造出堆疊式燒結(jié)結(jié)構(gòu)，堆疊結(jié)構(gòu)呈周期性山峰狀，具有良好的汽液分流作用，從而在加熱面上不容易形成覆蓋蒸汽膜，可顯著提升沸騰換熱性能。他們對(duì)池沸騰的研究發(fā)現(xiàn)：在較大的熱流密度時(shí)，堆疊間距起決定作用，而銅粉粒徑和孔隙率則是次要因素。從其研究看，堆疊結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出卓越的沸騰換熱性能，臨界熱流密度（CHF）超過300W/cm，但其研究主要只停留于池沸騰方面。這些研究說明，燒結(jié)結(jié)構(gòu)形式會(huì)對(duì)沸騰換熱性能造成極大的影響。

從以上所述的研究現(xiàn)狀看，燒結(jié)結(jié)構(gòu)形式對(duì)流動(dòng)沸騰的影響研究仍然相當(dāng)缺乏，對(duì)其中的換熱機(jī)理認(rèn)識(shí)并不深入，多孔表面上的流動(dòng)沸騰涉及不同的矛盾因素：在低熱流密度情況下，成核址密度、起始過熱度和脫落直徑等對(duì)沸騰換熱起主要作用；而在中高熱流密度情況下，排汽阻力和液態(tài)工質(zhì)補(bǔ)充等，對(duì)沸騰換熱起更為主要的作用。從對(duì)性能的影響程度看：起首要作用的是燒結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，優(yōu)良的燒結(jié)結(jié)構(gòu)可很好地實(shí)現(xiàn)汽液分離流動(dòng)，有助于汽泡順暢排除，也會(huì)顯著提升CHF；起次要作用的則是組成多孔結(jié)構(gòu)的顆粒（或孔隙）參數(shù)，包括顆粒形狀、粒徑等，盡管是次要影響因素，但在低中熱流密度范圍會(huì)給沸騰換熱性能造成很大影響。

本文針對(duì)燒結(jié)并聯(lián)微通道和扁平通道（僅有燒結(jié)底層），以去離子水為工質(zhì)，進(jìn)行了過冷流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，著重考察了兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)沸騰傳熱和壓降的影響，并對(duì)銅粉粒徑的作用進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括去離子水水箱、微型齒輪泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、帶燒結(jié)結(jié)構(gòu)的熱沉室和測(cè)量采集系統(tǒng)，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，先將水箱中的去離子水加熱煮沸2h 除氣，然后冷卻到預(yù)定入口溫度，去離子水由微型齒輪泵輸送，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，之后流入微通道熱沉室進(jìn)行沸騰換熱變?yōu)檎羝?，?jīng)冷凝器冷卻后由末端水箱收集。熱沉室采用加熱銅塊作為模擬熱源，加熱棒由可調(diào)功率直流電源供電。去離子水進(jìn)出口水溫和壓力分別由熱電阻（PT100）和壓力傳感器采集，壓力傳感器型號(hào)采用的表壓型壓力傳感器PX309-015G5V，量程為0～15psi（1psi=6894.8Pa），響應(yīng)時(shí)間1ms。銅塊溫度的測(cè)量是由鎧裝T形熱電偶（Ⅰ級(jí)精度）采集。溫度和壓力均經(jīng)過NI-6212同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。微通道熱沉室實(shí)驗(yàn)過程中始終保持水平放置，實(shí)驗(yàn)開始前用水平儀進(jìn)行校正。高速攝影儀采用Phantom VEO E-310L，根據(jù)流型變化情況選用2000～3200 幀/s 進(jìn)行拍攝，微距鏡頭放大倍數(shù)4～10倍，并配置100W LED多光源系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 熱沉室和燒結(jié)微通道

熱沉室如圖2所示，自上而下分別包括透明PC板、PEEK 圍護(hù)結(jié)構(gòu)、加熱銅塊、玻璃纖維絕熱底座等。透明PC 板可方便進(jìn)行可視化觀察，耐高溫的PEEK 圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)面加工有4 個(gè)銅塊測(cè)溫孔和2個(gè)測(cè)壓孔。加熱銅塊采用階梯狀設(shè)計(jì)，上半部分設(shè)計(jì)為矩形銅柱形，以充分保證一維導(dǎo)熱（沿中心線縱向布設(shè)3 個(gè)測(cè)溫孔，以監(jiān)測(cè)輸入加熱量），下半部分設(shè)有6個(gè)加熱棒孔。熱沉室底座采用玻璃纖維，與銅塊外形匹配，以減少熱沉室的散熱損失。

圖2 熱沉室示意圖

兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)形式如圖3(a)、(b)所示，分別為燒結(jié)并聯(lián)微通道和燒結(jié)扁平通道。與并聯(lián)微通道結(jié)構(gòu)相比，扁平通道只有燒結(jié)底層，其厚度與并聯(lián)微通道底層一致。經(jīng)石墨模具，兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)與銅片一體化成型，然后通過中溫錫膏（Sn-Ag-Cu）焊接于銅塊頂部。由圖中也可以看到，扁平燒結(jié)通道上方有空通道，其高度與并聯(lián)微通道的間肋高度一致。通過這兩種燒結(jié)構(gòu)的對(duì)比，可凸顯微通道間肋對(duì)沸騰換熱的作用。燒結(jié)底層厚度分別為200μm和400μm，單根微通道寬度為600μm，間距為600μm，間肋高度為1200μm。銅片上表面壁溫通過銅塊柱體上的測(cè)溫孔溫度測(cè)量外推而得。燒結(jié)樣品與熱沉室之間采用高溫密封膠密封。

圖3 兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)的橫向截面示意圖

2 樣品結(jié)構(gòu)與毛細(xì)性能表征

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)不同銅粉粒徑和燒結(jié)底厚的樣品進(jìn)行了性能研究。所選用的銅粉粒徑為30μm、50μm、90μm 和120μm，燒結(jié)底厚為200μm 和400μm。銅粉經(jīng)篩濾后均勻鋪設(shè)于石墨模具里，在氫氮還原和保護(hù)氣氛下經(jīng)燒結(jié)爐燒結(jié)，與銅片一體化定型。樣品SEM形貌如圖4所示。

圖4 給出了4 種粒徑燒結(jié)樣品電鏡掃描圖，相較于小粒徑燒結(jié)樣品，大粒徑燒結(jié)樣品擁有更粗的樹枝狀銅骨架，容易形成較大的孔隙。4種粒徑樣品都形成了發(fā)達(dá)連通式多孔結(jié)構(gòu)，這對(duì)沸騰過程的汽泡成核和供液十分有利。由于樹枝狀銅粉多采用電沉積法制備，可以看到大粒徑樣品由多個(gè)小粒徑銅粉團(tuán)簇形成。

圖4 燒結(jié)樣品SEM結(jié)構(gòu)圖

本文采用“粒徑-底厚通道形狀”方式對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)寫區(qū)分，“粒徑30μm、底厚200μm、并聯(lián)微通道”樣品可表示為“30-200 PM”；“粒徑30μm、底厚200μm、扁平通道”樣品可表示為“30-200 PL”。

4 種粒徑燒結(jié)樣品的孔隙率由壓汞儀測(cè)量而得，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 燒結(jié)樣品孔隙率和底厚粒徑比表

由表1可見，大粒徑銅粉燒結(jié)樣品所形成的孔隙率也相對(duì)較大。30μm 粒徑樣品孔隙率僅有27.70%，而120μm粒徑形成的孔隙率為59%左右。樣品的毛細(xì)供液能力對(duì)沸騰后期的蒸發(fā)換熱產(chǎn)生關(guān)鍵影響。為此，利用紅外熱像儀對(duì)16 種樣品的毛細(xì)上升能力進(jìn)行了測(cè)量。

圖5(a)、(b)展示了200μm底厚和400μm底厚下各樣品的毛細(xì)上升曲線。等時(shí)間內(nèi)毛細(xì)爬升高度直接反映毛細(xì)速度的大小，所以總體來看，并聯(lián)微通道的毛細(xì)速度快于扁平通道。兩者的毛細(xì)速度均隨粒徑的增大而增大，這可能與大粒徑燒結(jié)樣品中不同尺度孔隙有直接關(guān)系。根據(jù)曲線走勢(shì)來看，200μm 底厚的微通道樣品一定時(shí)間內(nèi)毛細(xì)上升高度略優(yōu)于400μm底厚微通道樣品。

圖5 兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)樣品的毛細(xì)上升高度隨時(shí)間的變化

3 數(shù)據(jù)處理和誤差分析

3.1 沸騰傳熱系數(shù)計(jì)算

微通道每個(gè)通道的質(zhì)量通量[kg/(m·s)]的計(jì)算公式見式(1)。

忽略微通道軸向?qū)岬挠绊懀梢詫橥ǖ婪殖蓡蜗嗪蛢上鄡蓚€(gè)有效換熱區(qū)域。通過能量守恒方程可以計(jì)算出單相區(qū)換熱長(zhǎng)度，見式(2)。

式中，為微通道總長(zhǎng)度，m；和分別為去離子水飽和焓和入口焓值，kJ/kg；為有效熱量，W。

兩相區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算見式(3)。

繼而通過一維導(dǎo)熱模型的導(dǎo)熱公式，推算出平均壁面溫度（℃），見式(5)。

式中，為有效熱流密度，W/cm；為銅塊測(cè)溫孔距銅片表面的距離，m；為紫銅的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；為焊接錫膏厚度；為錫膏熱導(dǎo)率。

壁面過熱度計(jì)算見式(6)。

實(shí)驗(yàn)平均傳熱系數(shù)由單相區(qū)傳熱系數(shù)和兩相區(qū)沸騰傳熱系數(shù)加權(quán)平均求得，見式(7)～式(9)。

式中，為飽和水溫，℃；為水的進(jìn)口溫度，℃。

3.2 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(duì)不確定度分別為±1%、±0.25%和±0.5%。入口和出口的流體溫度由兩個(gè)熱電阻傳感器（PT100）測(cè)量，絕對(duì)不確定度為±0.3℃。測(cè)量銅塊溫度的T形熱電偶不確定度為±0.4℃。

熱流密度的相對(duì)不確定度計(jì)算見式(10)。

根據(jù)式(5)，壁面溫度之的相對(duì)不確定度計(jì)算見式(11)。

壁溫的相對(duì)不確定度可由式(6)推得，飽和溫度的相對(duì)不確定度可由進(jìn)出口壓力傳感器的不確定度推得。

根據(jù)式(8)，沸騰傳熱系數(shù)的不確定度計(jì)算見式(12)。

根據(jù)上述誤差傳遞公式，傳熱系數(shù)的相對(duì)不確定度在±2.6%～10.4%范圍內(nèi)（熱流密度不同，傳熱系數(shù)相對(duì)不確定度也會(huì)不同）。由于燒結(jié)結(jié)構(gòu)在沸騰起始點(diǎn)（onset of nucleate boiling，ONB）附近的壁面過熱度常會(huì)較低，甚至?xí)陀?℃，從而造成ONB附近的傳熱系數(shù)呈現(xiàn)較大的相對(duì)不確定度。

表2列出了相關(guān)物理變量的測(cè)量誤差。

表2 本實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的不確定度

3.3 熱效率和飽和溫度修正

熱沉室與環(huán)境之間存在熱對(duì)流損失。通過單相實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，熱損失與溫差（微通道壁面溫度和環(huán)境溫度之差）存在正比關(guān)系，可采用單相擬合獲得的關(guān)聯(lián)式間接推得沸騰工況的熱損失。當(dāng)=60℃、=142kg/(m·s)時(shí)，熱沉室的熱損失與溫差的擬合曲線如圖6所示，由熱損失曲線推算兩相沸騰時(shí)熱效率達(dá)到80%～95%。實(shí)測(cè)表明：當(dāng)質(zhì)量通量較小時(shí)，熱沉室熱效率較小，為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%。

圖6 熱沉室熱損失圖

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。本文將進(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)算出飽和壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，對(duì)沸騰曲線進(jìn)行相應(yīng)修正。

4 燒結(jié)結(jié)構(gòu)的傳熱和壓降特性

4.1 沸騰曲線和換熱性能

圖7為200μm底厚下兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的沸騰曲線，并在質(zhì)量通量為142kg/(m·s)、入口溫度為60℃時(shí)對(duì)比了粒徑的具體影響。燒結(jié)并聯(lián)微通道大粒徑樣品的起始過熱度在1℃以內(nèi)，小粒徑樣品由于孔徑較小，難以活化，壁面起始過熱度在3℃左右。在相同的熱流密度下，并聯(lián)微通道樣品壁面過熱度遠(yuǎn)低于扁平通道。對(duì)于并聯(lián)燒結(jié)微通道，粒徑對(duì)沸騰曲線的影響較小，4種粒徑的沸騰曲線比較接近。當(dāng)輸入熱流密度為120W/cm時(shí)，4種樣品的壁面過熱度只有5～8℃，90μm 樣品壁面過熱度最低，這說明燒結(jié)并聯(lián)微通道具有極佳的沸騰換熱性能。而對(duì)于扁平通道結(jié)構(gòu)，粒徑對(duì)沸騰曲線的影響很大，大粒徑樣品（90-200 PM 和120-200 PM）的壁面過熱度較低，小粒徑樣品則反之。對(duì)于CHF，并聯(lián)微通道大粒徑樣品（90-200 PM 和120-200 PM）的可達(dá)到約180W/cm，小粒徑樣品30-200 PM和50-200PM的CHF分別為126W/cm和163W/cm；扁平通道CHF 最高只能達(dá)到110W/cm左右，30μm 的扁平通道在50W/cm時(shí)就會(huì)發(fā)生惡化。

圖7 200μm底厚各樣品沸騰曲線

400μm 底厚樣品沸騰曲線如圖8 所示。對(duì)于400μm 底厚并聯(lián)微通道樣品，粒徑對(duì)沸騰曲線的影響較大，粒徑50μm、90μm、120μm樣品的壁面過熱度較低，30μm 反之。400μm 底厚扁平通道的性能與200μm 接近，仍然是大粒徑樣品壁面過熱度較低。

圖8 400μm底厚各樣品沸騰曲線

而各樣品CHF 的差異，推測(cè)和其毛細(xì)吸液速度有關(guān)，主要是因?yàn)樵谥懈邿崃鲿r(shí)，燒結(jié)并聯(lián)微通道的主導(dǎo)傳熱方式轉(zhuǎn)變?yōu)楸∫耗ふ舭l(fā)機(jī)制，受熱面順暢及時(shí)地補(bǔ)液是非常關(guān)鍵的。在圖5(a)、(b)毛細(xì)吸液上升曲線中，有兩個(gè)顯著的特征：①在同一底厚下，大粒徑樣品的毛細(xì)上升速度要快于小粒徑樣品；②并聯(lián)微通道樣品的毛細(xì)吸液速度要遠(yuǎn)快于扁平通道?？梢园l(fā)現(xiàn)：在中高熱流密度區(qū)，兩種結(jié)構(gòu)下沸騰曲線性能差異與毛細(xì)上升速度呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。從結(jié)構(gòu)差異看，燒結(jié)并聯(lián)微通道由平行微通道和間肋構(gòu)成，這是與扁平通道結(jié)構(gòu)的區(qū)別所在。前者毛細(xì)上升速度的提高，是源于平行微通道還是間肋的作用，這是需進(jìn)一步探索的主題。

200μm 底厚兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)曲線如圖9 所示。在熱流密度小于30W/cm時(shí)換熱系數(shù)緩慢增加，處于單相換熱階段，傳熱系數(shù)約為6kW/(m·K)。30W/cm以后各樣品漸次進(jìn)入沸騰換熱階段，微通道樣品中粒徑90μm樣品傳熱系數(shù)增長(zhǎng)高于其他3 種粒徑，粒徑30μm 樣品傳熱系數(shù)最低；在高熱流密度時(shí)（≥140W/cm），4種粒徑傳熱系數(shù)均展現(xiàn)出平穩(wěn)下降的趨勢(shì)，120μm樣品性能最佳。值得注意的是，對(duì)于200μm底厚微通道，4種粒徑樣品的沸騰曲線較為接近，但傳熱系數(shù)卻相差很大，特別是在中等熱流密度區(qū)，這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中壁面過熱度很低（在100W/cm時(shí)，壁面過熱度普遍小于5℃），傳熱系數(shù)對(duì)溫度差異非常敏感。扁平通道的傳熱系數(shù)均低于并聯(lián)微通道樣品，對(duì)于大粒徑樣品，90-200 PM（并聯(lián)多孔微通道）最大傳熱系數(shù)可達(dá)到240kW/(m·K)，而90-200 PL（扁平通道）只有90kW/(m·K)，相差約2.7倍；而小粒徑樣品，30-200 PM 最大傳熱系數(shù)是30-200 PL 的4倍左右，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)差異效應(yīng)。

圖9 200μm底厚樣品傳熱系數(shù)變化圖

400μm 底厚并聯(lián)微通道的傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)與200μm 底厚類似，如圖10 所示。大粒徑樣品在中高熱流密度區(qū)傳熱系數(shù)高于小粒徑（30μm）樣品（/=13.3）；粒徑30μm樣品其傳熱系數(shù)最高僅有70kW/(m·K)，大部分扁平通道的換熱性能顯著低于并聯(lián)微通道樣品，只有粒徑90μm扁平通道例外，其傳熱系數(shù)甚至高于30μm并聯(lián)微通道。

圖10 400μm底厚樣品傳熱系數(shù)變化圖

對(duì)于燒結(jié)結(jié)構(gòu)，底厚粒徑比這一綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)也起著一定的作用，根據(jù)已有文獻(xiàn)，過大或過小的底厚粒徑比均會(huì)導(dǎo)致過熱度的增大，最優(yōu)底厚粒徑比在2～5之間。本文的研究與這個(gè)范圍類似，對(duì)于并聯(lián)微通道樣品，最優(yōu)底厚粒徑比在1.7～8.0 之間，對(duì)于扁平通道樣品，最優(yōu)厚度粒徑比在1.7～4.4 之間。這說明底厚粒徑比也是影響燒結(jié)結(jié)構(gòu)沸騰換熱性能的重要因素。

由沸騰曲線和傳熱系數(shù)圖來看，并聯(lián)微通道樣品沸騰換熱性能普遍優(yōu)于扁平通道，隨著粒徑的變小，這兩種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的差異越來越大。這可能與樣品孔隙率有關(guān)，大粒徑樣品由于孔隙率較大，間肋根基處的導(dǎo)熱熱阻也會(huì)很大，使得大粒徑間肋的傳熱能力不如小粒徑間肋得到充分發(fā)揮。

4.2 質(zhì)量通量對(duì)沸騰曲線和傳熱系數(shù)的影響

圖11(a)、(b)給出了并聯(lián)微通道在3種質(zhì)量通量下的沸騰曲線，樣品選用30-400 PM 和120-400 PM，均為并聯(lián)微通道樣品。由圖11 可見，在相同質(zhì)量通量下，大粒徑樣品120-400 PM 在ONB 點(diǎn)時(shí)壁面起始過熱度較低。粒徑120μm 樣品沸騰曲線的壁面過熱度受質(zhì)量通量影響較??；粒徑30μm樣品則受影響較大。圖12(a)、(b)表示相應(yīng)的傳熱系數(shù)對(duì)比，兩種樣品均受質(zhì)量通量影響較大，這主要是不同質(zhì)量通量下的熱損失差異造成的。質(zhì)量通量[=71kg/(m·s)]較小時(shí)，粒徑30μm 樣品在低熱流密度（≤40W/cm）時(shí)的傳熱系數(shù)非常大，這和其較低的壁面過熱度和較長(zhǎng)的兩相段長(zhǎng)度有關(guān)；質(zhì)量通量較大[=213kg/(m·s)]時(shí)，兩種粒徑下的傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)先增加至一峰值然后逐漸下降的規(guī)律。

圖11 不同流量下兩樣品沸騰曲線

圖12 不同流量下兩樣品傳熱系數(shù)圖

對(duì)于粒徑30 μ m 樣品，高質(zhì)量通量[G=213 kg/(m·s)]CHF 是低質(zhì)量通量[G=71kg/(m·s)]的2 倍左右?？傮w來看，粒徑120μm 微通道換熱性能要顯著優(yōu)于粒徑30μm微通道。

4.3 平均壓降

不同底厚樣品的平均壓降如圖13、圖14所示，平均壓降的總體趨勢(shì)均隨熱流密度的增大而增大，扁平通道的壓降要小于微通道樣品。隨著沸騰的發(fā)生，低過熱度時(shí)微通道中氣泡的產(chǎn)生不僅會(huì)減小通道流通面積，而且增加了氣泡與液體之間的黏性切應(yīng)力，這就會(huì)導(dǎo)致平均壓降的增大。當(dāng)熱流密度進(jìn)一步加大，氣泡開始進(jìn)行聚合形成彈狀流，進(jìn)而形成塞狀流，在通道末端形成環(huán)狀流，進(jìn)一步增大通道之間的壓降。熱流密度較高時(shí)，此時(shí)通道內(nèi)環(huán)狀流流型占據(jù)主導(dǎo)地位，氣泡與壁面之間液體蒸發(fā)速度極快，氣泡生長(zhǎng)突破進(jìn)口，產(chǎn)生明顯的返流現(xiàn)象，此時(shí)不僅產(chǎn)生較大進(jìn)口壓力，而且壓力脈動(dòng)現(xiàn)象十分明顯。可以觀察到，同種粒徑并聯(lián)微通道樣品較扁平通道最大可達(dá)2～3倍的差距。從可視化觀察發(fā)現(xiàn)：由于扁平通道流通截面積較大，致使氣泡膨脹空間較大，就導(dǎo)致了其中高熱流時(shí)流型具有較大的無規(guī)律性。較于并聯(lián)微通道樣品壓降的單調(diào)增加現(xiàn)象，扁平通道壓降增加無序性更加明顯。熱流密度在30W/cm以下時(shí)，此階段微通道中并沒有發(fā)生沸騰，平均壓降處于比較平穩(wěn)的趨勢(shì)。200μm底厚時(shí)，微通道熱流密度在90W/cm之后壓降區(qū)分明顯，平均壓降隨著樣品粒徑的增大呈減小趨勢(shì)。400μm 底厚時(shí)樣品平均壓降大小差異與200μm 底厚相同。注意到相同熱流密度下200μm 底厚的平均壓降要低于400μm 底厚壓降，其中原因尚待進(jìn)一步研究。

圖13 200μm底厚樣品平均壓降變化圖

圖14 400μm底厚樣品平均壓降變化圖

5 可視化分析

利用高速攝像機(jī)，對(duì)120-400 PM 和120-400 PL 這兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行可視化觀測(cè)，質(zhì)量通量均為142kg/(m·s)，入口溫度是60℃。

圖15(a)展現(xiàn)了扁平通道120-400 PL 樣品在100.7W/cm時(shí)的流型變化情況。當(dāng)時(shí)間為0ms 時(shí)，流體由進(jìn)口中間進(jìn)液，形成狹長(zhǎng)進(jìn)液區(qū)域，上下兩側(cè)（從平面看是左右兩側(cè)）皆為薄液膜蒸發(fā)形成的大氣團(tuán)；當(dāng)時(shí)間為30ms時(shí)，進(jìn)液區(qū)域位置轉(zhuǎn)變到進(jìn)口下方，這主要是上側(cè)氣團(tuán)的蒸發(fā)膨脹所致；50ms時(shí)，進(jìn)液區(qū)域又向上方移動(dòng)，進(jìn)液方向呈斜向，這主要是下側(cè)氣團(tuán)的蒸發(fā)膨脹所致。由流型的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)：扁平通道由于沒有平行間肋的限制，上下大氣團(tuán)常會(huì)占據(jù)大部分區(qū)域，并且無規(guī)則擺動(dòng)，進(jìn)口液體難以順暢流入，造成換熱性能的下降。

圖15 兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)的可視化

并聯(lián)微通道結(jié)構(gòu)中的流型發(fā)展如圖15(b)所示，熱流密度是176.3W/cm。在時(shí)間為0ms時(shí)，流體由通道進(jìn)口上側(cè)進(jìn)液，流體流經(jīng)通道時(shí)發(fā)生劇烈沸騰，下側(cè)通道因薄液膜蒸發(fā)形成大氣團(tuán)；當(dāng)時(shí)間為121.4ms 時(shí)，進(jìn)液轉(zhuǎn)變到進(jìn)口下側(cè)，上側(cè)通道形成大氣團(tuán)；167.8ms 時(shí)，下側(cè)氣團(tuán)形成后，引起進(jìn)液位置上移，形成中間進(jìn)液與兩側(cè)被氣團(tuán)包覆現(xiàn)象。與扁平通道流型不同，并聯(lián)微通道中進(jìn)液位置會(huì)發(fā)生上下交替變化，這樣并聯(lián)通道里可以保持一定區(qū)域的濕潤(rùn)性，維持在高熱流時(shí)的溫度的穩(wěn)定。氣團(tuán)包覆區(qū)域中的主要換熱方式為燒結(jié)多孔層里的薄液膜蒸發(fā)。

針對(duì)燒結(jié)并聯(lián)通道換熱性能優(yōu)于扁平通道原因分析如下：首先，從上述可視化觀察看，有無平行間肋會(huì)對(duì)通道內(nèi)的流型造成很大的區(qū)別；其次，在大氣團(tuán)破滅后，并聯(lián)燒結(jié)通道的補(bǔ)液速度更快；另外并聯(lián)通道總蒸發(fā)面積要大于扁平通道，但究竟哪個(gè)原因是主要的，仍需繼續(xù)研究。

6 結(jié)論

本文對(duì)銅粉燒結(jié)并聯(lián)微通道和扁平通道進(jìn)行沸騰換熱和壓力性能研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下。

（1）燒結(jié)并聯(lián)微通道換熱性能遠(yuǎn)高于扁平通道。并聯(lián)微通道CHF高于扁平通道，各樣品CHF大小與其毛細(xì)能力呈正相關(guān)性。并聯(lián)微通道的間肋對(duì)沸騰換熱強(qiáng)化發(fā)揮了重要作用。底厚粒徑比（/）也會(huì)對(duì)兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)的換熱性能產(chǎn)生重要影響。過大的底厚粒徑比（/）會(huì)造成性能的減弱。

（2）大粒徑微通道（=120μm）沸騰曲線受質(zhì)量通量影響較小，小粒徑微通道（=30μm）沸騰曲線受影響較大。質(zhì)量通量對(duì)樣品換熱性能影響較大，小質(zhì)量通量會(huì)使樣品出現(xiàn)低熱流密度達(dá)到高傳熱系數(shù)現(xiàn)象，大質(zhì)量通量會(huì)增大微通道的CHF值。

（3）燒結(jié)并聯(lián)微通道的平均壓降大于扁平通道，并隨熱流密度的增大呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢(shì)。由于扁平通道流型具有較大的無規(guī)律性，其壓降的無序性更加明顯。相同熱流密度下200μm 底厚的平均壓降要低于400μm 底厚壓降。相同底厚下，燒結(jié)并聯(lián)微通道壓降增長(zhǎng)率隨粒徑的增大而增大。

（4）從可視化結(jié)果看，在中高熱流密度時(shí)，兩種燒結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)的主要相變機(jī)制是薄液膜蒸發(fā)。平行間肋對(duì)通道內(nèi)的流動(dòng)起很顯著的作用，扁平通道內(nèi)由于沒有平行間肋的限制，兩側(cè)大氣團(tuán)呈現(xiàn)上下擺動(dòng)模式，而并聯(lián)微通道則呈現(xiàn)周期性的進(jìn)液-蒸發(fā)模式。

不同燒結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)流動(dòng)沸騰換熱性能造成決定性的影響。未來需進(jìn)一步探索其中的沸騰機(jī)制，為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。