曾龍，鄭貴森，鄧大祥，孫健，劉永恒

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳 518055）

近幾十年來，半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了電子元件的小型化，導(dǎo)致單位面積熱通量的迅速增加。散熱冷卻對于保證電子器件可靠、穩(wěn)定運行至關(guān)重要，如何加快電子芯片冷卻成為研究熱點，而傳統(tǒng)的翅片傳熱和風(fēng)冷傳熱已不能滿足高熱通量的散熱需求。微通道換熱器自1981 年被Tuckerman等提出后，憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、輕薄小巧、易于與微型器件一體化封裝、傳熱性能高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于微電子設(shè)備、大功率激光二極管陣列、汽車、航天器、太陽能電池、燃料電池等器件中。

傳統(tǒng)的微通道散熱器通常以矩形、三角形或梯形等光滑微通道為主，其換熱面積有限，并存在相變沸騰遲滯問題。當(dāng)流體流過這些光滑微通道時，流動邊界層和傳熱邊界層沿流動方向逐漸增加，造成邊界層熱阻過大，從而引起流動換熱性能的顯著惡化。為了進(jìn)一步強(qiáng)化微通道換熱性能，各國研究者在微通道優(yōu)化和改進(jìn)方面開展了大量的研究。微通道強(qiáng)化換熱方法主要可以分為兩大類：優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)和表面改性。前者主要通過設(shè)計內(nèi)陷槽、擾流柱、交錯微流道等方式實現(xiàn)，在強(qiáng)化換熱方面取得了較好的效果。后者主要是在現(xiàn)有微通道的基礎(chǔ)上通過各種加工手段進(jìn)行處理，在微通道底部或側(cè)邊生成微結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)以及納米涂層等，從而起到改善潤濕性能、提高傳熱性能以及降低核態(tài)沸騰起始點等有益效果。Sujith等通過噴涂的方式在矩形微通道上加工微孔表面，與裸銅表面相比，顯著提高了流動沸騰傳熱系數(shù)和臨界熱通量。Shen等在光滑的微通道表面沉積疏水斑點獲得非均勻潤濕性表面，實驗結(jié)果表明該非均勻潤濕性表面的沸騰起始點相對于未處理表面降低了35%。He等在矩形微通道底部燒結(jié)銅編織帶，得益于更大數(shù)量和更均勻的成核位點，該方法使傳熱系數(shù)提升了2.37 倍。Alam 等采用干法刻蝕的手段在硅微通道表面加工納米線結(jié)構(gòu)，相比于常規(guī)的光滑微通道，兩相沸騰傳熱性能提升了4 倍。Khanikar 等通過氣相沉積的手段在銅基微通道表面生成沉積碳納米管結(jié)構(gòu)。相比于銅微通道，該結(jié)構(gòu)提高了核態(tài)沸騰區(qū)的傳熱以及臨界熱通量。

盡管微通道表面改性存在著以上各種優(yōu)點，但通過上述噴涂、干法蝕刻、燒結(jié)和氣相沉積等方法在微通道壁面或底部生成多孔結(jié)構(gòu)或納米涂層仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如，由于微通道結(jié)構(gòu)尺寸很小，在其表面上進(jìn)行加工處理非常困難。此外，生成的多孔層或納米涂層在長時間運行后可能會與微通道基底分離，從而導(dǎo)致強(qiáng)化傳熱效果消失。為此，亟待提出并研究新的微通道表面改性方法。激光直寫作為激光加工的一種，通過激光燒蝕控制材料去除量來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的制備。由于其具有高功率密度、非接觸加工等特性，同時制備得到的結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的制備。Piasecka采用激光在銅表面加工微小孔洞，實驗結(jié)果表明激光加工得到的微小孔洞可以促進(jìn)兩相沸騰換熱。Wan等采用激光直寫在銅板上加工了各種不同截面形狀的微柱，兩相沸騰實驗結(jié)果表明方形圓柱微通道具有最高的換熱性能。Kandlikar等采用激光成功在微通道底部制備得到直徑為5～30μm的微孔，這些微孔被作為人工成核位點，有效降低沸騰換熱過程中的核態(tài)沸騰起始溫度。Deng 等采用激光直寫在微通道底部制備微柱，微柱形成產(chǎn)生了大量的微小凹腔，提供了大量穩(wěn)定的成核沸點，同時也保證了壁面的持續(xù)潤濕，相比于常規(guī)矩形微通道，顯著增強(qiáng)了兩相流動沸騰換熱能力。

目前，激光加工主要是在平面上制備出強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，針對微通道內(nèi)強(qiáng)化傳熱微結(jié)構(gòu)主要集中于微通道底面微孔、微柱的加工，微通道壁面多孔結(jié)構(gòu)制備尚未有報道。為此，本文提出采用激光加工方法對現(xiàn)有矩形微通道底部進(jìn)行表面改性，在微通道底部生成粗糙多孔層，在致力于強(qiáng)化微通道傳熱的同時，實現(xiàn)微小通道內(nèi)多孔壁面的高效、穩(wěn)定生成。為了驗證該多孔壁面微通道強(qiáng)化傳熱性能，搭建了微通道換熱實驗測試平臺，并與常規(guī)光滑壁面微通道的傳熱性能測試對比，系統(tǒng)研究了其單相與兩相沸騰傳熱強(qiáng)化特性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗測試樣品

本實驗首先采用電火花線切割加工技術(shù)，在長×寬×高為45mm×20mm×2mm 紫銅板（銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%）上加工了12條寬度為0.7mm、高度為1mm 的矩形微通道，其中微通道的中心間距為1.7mm。然后將微通道樣品放入超聲波清洗機(jī)中依次使用汽油、無水乙醇和去離子水清洗15min。最后，用干燥空氣吹干微通道樣品。采用激光直寫技術(shù)對矩形微通道表面進(jìn)行處理，如圖1所示，光纖激光發(fā)射的激光束通過反光鏡和聚焦鏡聚焦到矩形微通道的表面，激光束在程序的控制下從前往后，從左往右然后再往下運動，微通道表面在激光的作用下發(fā)生燒蝕熔融，形成粗糙多孔結(jié)構(gòu)。其中該激光器參數(shù)設(shè)置為以20kHz重復(fù)頻率產(chǎn)生100ns脈沖，發(fā)射中心波長為1064nm 激光，激光器的最大輸出功率為30W，詳細(xì)的設(shè)置參數(shù)見文獻(xiàn)[18]。圖2 為激光直寫前后微通道壁面掃描電鏡（SEM）圖像比較。從圖中可以看出，激光處理后微通道表面形成了許多微空腔的多孔粗糙結(jié)構(gòu)，如圖2(b)中虛線圈所示。采用3D 共聚焦輪廓儀對微通道表面輪廓進(jìn)行掃描，并測量微通道底部3個不同位置的表面粗糙度并取平均值。如圖3 所示，多孔壁面微通道的表面粗糙度相對于未進(jìn)行處理的光滑微通道提升了48.7%，其不確定度的上下限如圖中誤差棒所示，對于光滑微通道的不確定度范圍為±0.16μm，對于激光處理多孔微通道的不確定度范圍為±0.25μm。

圖1 激光直寫加工過程

圖2 微通道內(nèi)壁表面的SEM圖像

圖3 激光處理前后微通道表面粗糙度的變化情況

1.2 實驗測試系統(tǒng)

圖4為實驗測試系統(tǒng)的示意圖。該測試回路主要由水循環(huán)系統(tǒng)、測試段、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。本實驗采用去離子水作為工作流體，存儲在水箱當(dāng)中。水箱內(nèi)置加熱器，通過加熱沸騰排出工作液中的雜質(zhì)氣體。水循環(huán)系統(tǒng)由齒輪泵驅(qū)動，將水箱中的去離子水以恒定速率泵出，然后依次通過過濾器、流量計以及浸在恒溫水浴中的銅換熱盤管后流向測試段。通過調(diào)節(jié)恒溫水浴的溫度以及對盤管出口和微通道進(jìn)口之間管道進(jìn)行保溫來確保入口溫度達(dá)到設(shè)定值。去離子水在測試段進(jìn)行熱交換后通過盤管冷凝器冷卻，然后返回到大水箱當(dāng)中，重復(fù)開始下一個循環(huán)。

圖4 實驗測試系統(tǒng)

實驗測試端的剖面如圖5所示。測試段部分主要由聚醚醚酮絕緣底座、銅加熱塊、聚醚醚酮流動腔體、測試樣品、Pyrex 7740玻璃蓋板、鋁合金蓋板、進(jìn)出口環(huán)氧樹脂整流腔體和加熱棒組成。測試樣品通過內(nèi)置10 個加熱棒的銅加熱塊進(jìn)行加熱，最大總功率為1kW，加熱棒與自耦變壓器和數(shù)字功率計相連，通過調(diào)節(jié)自耦變壓器來改變總加熱功率。銅加熱塊的上表面為45mm×20mm，與測試樣品一致，采用薄焊料層將測試樣品與銅加熱頂部連接在一起。為了防止工作液體的泄漏，在進(jìn)出口環(huán)氧樹脂整流腔體，聚醚醚酮流動腔體以及Pyrex 7740 玻璃蓋板之間采用O 形密封圈和密封膠進(jìn)行密封，并采用螺栓進(jìn)行緊固。此外，參考之前的研究經(jīng)驗，在測試段的進(jìn)口和出口處連接不銹鋼管來降低兩相流動的不穩(wěn)定性。

圖5 實驗測試端的剖面

其中，單相換熱實驗流體的入口溫度為33℃、熱通量為133kW/m、數(shù)范圍為237～719，兩相換熱實驗分別在3種不同的質(zhì)量流速［=200kg/(m·s)、300kg/(m·s)、500kg/(m·s)］和大范圍的熱通量下開展，采用去離子水作為工作流體，入口過冷度為10℃。當(dāng)實驗測試達(dá)到穩(wěn)定后，即所有的壁面溫度穩(wěn)定在±0.5℃范圍內(nèi)約3min，采用數(shù)字采集儀以1Hz 的頻率采集所有溫度和壓降數(shù)據(jù)120s。然后，通過測量數(shù)據(jù)的平均值計算得到傳熱系數(shù)、努塞爾數(shù)和壓降。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

在微通道換熱實驗中，由于散熱損失的不可避免，流體實際獲得的熱量為加熱棒輸入的熱量與散熱損失的差值，如式(1)所示。

式中，為加熱棒輸入的總功率，=（和分別為輸入電壓和電流）。本實驗由與加熱棒連接的功率計直接采集數(shù)據(jù)。

對于微通道單相換熱來說，有效換熱量還可以通過進(jìn)出口的溫差進(jìn)行計算，如式(2)所示。

式中，?和c分別為去離子水質(zhì)量流率和比熱容；和分別為流體進(jìn)口和出口溫度。

通過式(1)、式(2)可以計算得到有效的換熱量與總加熱量的比值，如式(3)。

由于兩相沸騰過程的有效換熱量無法直接計算得到，為了確定兩相沸騰換熱的有效換熱量，通常采用傳熱比方法來進(jìn)行計算。由于使用同一測試裝置，兩相沸騰傳熱過程有效傳熱比與單相過程一致。通過單相對流換熱實驗，發(fā)現(xiàn)傳熱比的在0.85～0.95 之間。因此，利用單相換熱過程中傳熱比的平均值作為兩相沸騰傳熱實驗中的有效傳熱比，從而乘以功率計測量加熱棒的總功率，來計算兩相沸騰試驗中有效換熱量。

微通道換熱的有效熱通量″計算如式(4)所示。

式中，為微通道底面積，=（和分別為微通道的寬度和長度）。

本實驗不能直接測量得到壁面溫度，因此采用一維傅里葉導(dǎo)熱定律，通過壁面下方的熱電偶計算得到實際的壁面溫度，具體計算如式(5)所示。

式中，為熱電偶到換熱壁面的總熱阻，包括熱電偶到加熱塊頂部的熱阻、焊錫膏的熱阻、微通道底部到換熱壁面的熱阻，詳細(xì)的計算方式參考本文作者課題組之前的工作。

1.3.1 單相處理

由牛頓冷卻定律可計算得到單相平均換熱系數(shù)如式(6)所示。

式中，為流體平均溫度；為微通道壁面的平均溫度。具體計算方式如式(7)、式(8)所示。

式中，為微通道散熱器的總傳熱面積，計算如式(9)所示。

式中，為微通道底面面積；為微通道側(cè)面面積；為肋片效率。在矩形直肋導(dǎo)熱中，其肋片效率如式(10)、式(11)所示。

式中，和分別為單條微通道橫截面濕翅片周長和橫截面面積。

通過式(6)～式(11)計算得到單相換熱系數(shù)后，平均數(shù)可以通過式(12)確定。

式中，為進(jìn)口平均速度；為流體的動力黏度。

微通道內(nèi)的流動摩擦系數(shù)計算如式(15)所示。

式中，Δ為進(jìn)出口壓降。

為了進(jìn)一步評價激光處理的多孔壁面微通道的單相換熱性能，結(jié)合考慮傳熱和壓降的影響，通常采用綜合性能因子，具體計算如式(16)所示。

式中，和分別為激光處理的多孔壁面微通道內(nèi)的換熱性能和摩擦系數(shù)；和分別為未進(jìn)行處理的光滑矩形微通道內(nèi)的換熱性能和摩擦系數(shù)。

1.3.2 兩相處理

在本研究中，局部沸騰換熱系數(shù)計算的位置為靠近出口處的熱電偶位置（），原因在于該處與最大的飽和沸騰量有關(guān)，這種方式在之前的許多研究中都被采用。局部兩相沸騰換熱系數(shù)（）由式(17)確定。

式中，為液體的汽化潛熱；為入口到測溫點對應(yīng)壁面的水平距離。

本實驗使用的K型熱電偶的不確定度為0.3℃，游標(biāo)卡尺測量的不確定度為0.02mm，流量計和壓力傳感器的測量不確定度分別為滿量程的2%和0.1%，功率表測量不確定度為1%。根據(jù)Taylor等提出的標(biāo)準(zhǔn)誤差分析方法，如式(19)所示。

式中，δ為絕對不確定度，相對不確定度的計算方式為δ/。通過以上公式計算得到、、、″、、的相對不確定度分別為±3.2%、±5.1%、±6.2%、±4.2%、±6.3%、±4.6%。

2 結(jié)果與討論

2.1 單相實驗結(jié)果

為驗證本實驗裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，先將光滑微通道單相流動換熱努塞爾數(shù)（-）與文獻(xiàn)[27]中的矩形微通道單相傳熱經(jīng)典關(guān)聯(lián)式進(jìn)行比較，如圖6(a)所示。對比結(jié)果表明單相換熱實驗曲線與經(jīng)驗曲線吻合良好，最大偏差在5%以內(nèi)，從而驗證了本實驗裝置的可靠性。

圖6 激光處理粗糙多孔微通道與傳統(tǒng)光滑微通道性能比較

圖6(a)顯示了未進(jìn)行處理的光滑微通道與激光處理的多孔壁面微通道內(nèi)數(shù)隨的變化趨勢。其中進(jìn)口溫度為33℃，質(zhì)量流速為250～550kg/(m·s)，熱通量為133kW/m。光滑微通道與多孔壁面微通道的換熱均隨著的增加而增加，在高有更好的換熱性能，其原因是在高條件下流體對于邊界層的擾動更大，邊界層熱阻更薄。此外可以發(fā)現(xiàn)在相同下，激光處理的多孔壁面微通道的均要高于未處理的光滑微通道，而隨著的增加，兩者換熱性能的差異進(jìn)一步增加。原因在于多孔壁面微通道內(nèi)粗糙多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了邊界層擾動和再生以及局部渦流的形成，從而破壞了邊界層的正常發(fā)展，促進(jìn)邊界層再發(fā)展，從而提高了換熱系數(shù)。在高下，多孔結(jié)構(gòu)對于邊界層的擾動更加劇烈，因此換熱性能的增強(qiáng)更加明顯。在本實驗研究的工況范圍內(nèi)，激光處理的多孔壁面微通道壁面相比于未進(jìn)行處理的光滑微通道提升了21%～31%。圖6(b)為未進(jìn)行處理的光滑微通道與激光處理的多孔壁面微通道內(nèi)流動壓降Δ隨的變化趨勢?？梢钥闯鲈谙嗤瑮l件下，激光處理的多孔壁面微通道的流動壓降更大，是未進(jìn)行處理的光滑微通道的1.4～1.8倍。原因在于如圖2(c)所示，激光處理的多孔壁面微通道表面粗糙度相對于未經(jīng)處理的光滑微通道大幅提高，不利于換熱工質(zhì)的流動。

通過以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，激光處理的多孔壁面微通道有更好的換熱性能，但是壓降更大，泵耗功更大。因此為了更好地評價多孔壁面微流道的綜合換熱性能，結(jié)合考慮傳熱和壓降的影響，需要進(jìn)行綜合性能因子的計算。圖7所示為多孔壁面微通道相對于光滑微通道的綜合性能因子隨的變化曲線?？梢钥闯鲈诒緦嶒炑芯康墓r范圍內(nèi)，綜合性能因子總是大于1，這表明激光處理的多孔壁面微通道的綜合傳熱性能總是要強(qiáng)于未處理的光滑微通道，其對于換熱性能的提高要大于壓降增加帶來的泵耗功的損失。此外，從圖7中可以看出隨著數(shù)的增加，綜合性能因子總體呈上升趨勢，最大可達(dá)到1.17。這表明在高數(shù)下，對光滑微通道進(jìn)行激光處理形成多孔結(jié)構(gòu)帶來換熱性能的提升要遠(yuǎn)大于壓降損失帶來的泵耗功的增加。因此對于單相流動換熱來說，對光滑微通道表面進(jìn)行激光處理形成多孔結(jié)構(gòu)有利于總的換熱性能的提升，且在高下的效果更加明顯。

圖7 綜合性能因子Pf隨Re的變化趨勢

2.2 兩相實驗結(jié)果

2.2.1 沸騰曲線

圖8所示為未進(jìn)行處理的光滑微通道和激光處理的多孔壁面微通道的沸騰換熱曲線，實驗工況是入口溫度為90℃，質(zhì)量流速為200～500kg/(m·s)，熱通量為0～700kW/m。其中壁面過熱度Δ為靠近出口熱電偶對應(yīng)壁面處的過熱度（）。壁面過熱度Δ隨著有效熱通量″的增加而增加，在剛開始階段，有效熱通量″基本上跟壁面過熱度Δ呈線性關(guān)系，原因在于在小熱通量下的換熱依然處于單相換熱狀態(tài)。隨著熱通量的進(jìn)一步增加，壁面過熱度上升速度變慢，原因在于發(fā)生了核態(tài)沸騰，出現(xiàn)起始核態(tài)沸騰（ONB）。如圖8 箭頭所示，在質(zhì)量流速為200kg/(m·s)時，多孔壁面微通道的核態(tài)沸騰起始點為2.6℃，相比于未進(jìn)行處理的光滑微通道降低了35%。這表明多孔壁面微通道可以有效降低沸騰起始過熱度。原因在于激光處理得到的多孔結(jié)構(gòu)為換熱壁面提供了大量的活化核心，氣泡生長所需的能量較低，從而在更小的壁面過熱度下就會產(chǎn)生沸騰氣泡。隨著熱通量的進(jìn)一步增加，多孔壁面微通道的沸騰曲線越來越趨于更加陡峭，說明在相同熱通量下，多孔壁面微通道傳熱性能顯著高于光滑微通道。

圖8 微通道的沸騰換熱曲線

此外，如圖8所示，隨著質(zhì)量流率的增加，多孔壁面微通道單相換熱性能更強(qiáng)，同時核態(tài)沸騰起始點ONB也越高，原因在于高質(zhì)量流率條件下，流體與換熱邊界的換熱更快，微通道內(nèi)更加難以達(dá)到沸騰換熱階段。在沸騰換熱階段，=200kg/(m·s)與=300kg/(m·s)情況下多孔壁面微通道的沸騰曲線基本重合，可能原因是在小流速范圍內(nèi)，由于多孔壁面微通道內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)對于換熱性能的提升已經(jīng)很明顯，流量的增加對于沸騰的增強(qiáng)基本忽略不計；隨著質(zhì)量流速的進(jìn)一步增加，流量對于換熱增強(qiáng)不可忽略，在=500kg/(m·s)條件下的流動沸騰曲線要明顯高于=200kg/(m·s)和=300kg/(m·s)條件。

2.2.2 兩相沸騰換熱系數(shù)

圖9(a)和(b)分別表示為未進(jìn)行處理的光滑微通道和激光處理的多孔壁面微通道的局部對流換熱系數(shù)隨有效熱通量″和局部干度的變化趨勢，其中局部對流換熱系數(shù)所取的點為靠近微流道出口處的點，流體的入口溫度為90℃。從圖9中可以看出兩種微流道的局部對流換熱系數(shù)在低熱通量和干度下較大且呈現(xiàn)下降趨勢，在中高熱通量″下，局部對流換熱系數(shù)隨熱通量和干度的增長均呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，原因在于低熱通量下通道內(nèi)的沸騰傳熱機(jī)制以核態(tài)沸騰為主，高熱通量下通道內(nèi)的沸騰傳熱機(jī)制以對流沸騰為主，這與文獻(xiàn)[5,29]相一致。此外，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在初始沸騰時，多孔壁面微通道傳熱系數(shù)略高于光滑微通道；而隨著熱通量和干度的增大，兩者的差異越來越大，多孔壁面微通道的強(qiáng)化傳熱效果越發(fā)明顯。其原因主要在于激光處理的多孔壁面微通道底部粗糙多孔結(jié)構(gòu)大大增加了有效傳熱面積，同時多孔壁面結(jié)構(gòu)為沸騰過程提供了大量的成核位點，大大促進(jìn)了沸騰氣泡成核。此外，多孔壁面微通道底面形成豐富的微小空腔結(jié)構(gòu)（圖2），這些多孔空腔結(jié)構(gòu)之間相互連通的微細(xì)孔道減少了毛細(xì)半徑，從而提供了更高的毛細(xì)壓力Δ，這可以從式(20)得到。

圖9 兩相沸騰換熱系數(shù)htp

式中，為表面張力；為毛細(xì)半徑。在局部熱通量過大、液體蒸發(fā)過快導(dǎo)致局部干涸現(xiàn)象產(chǎn)生時，局部干涸處壓力較低，而四周未干涸區(qū)依然處于較高壓狀態(tài)，更高的毛細(xì)壓力可以充分保證附近流體能夠通過微小孔洞的毛細(xì)驅(qū)動力將液體快速輸運到局部干涸點，從而大大延緩干涸現(xiàn)象的形成，這種現(xiàn)象同時在其他文獻(xiàn)中被多次提到。在質(zhì)量流速=200kg/(m·s)、入口溫度為90℃情況下，多孔壁面微通道的局部對流換熱系數(shù)在有效熱通量″=480kW/m時為23.1kW/(m·K)，相比于相同條件下的光滑微通道提升了83%。以上的對比結(jié)果表明激光處理后的多孔壁面微流道可以有效提升兩相沸騰換熱性能，更加有利于高熱通量電子器件中的散熱。

此外，從圖9(a)可以看出在小質(zhì)量流速范圍內(nèi)，質(zhì)量流速=200kg/(m·s)與=300kg/(m·s)情況下多孔壁面微通道的局部對流換熱系數(shù)曲線基本重合，而對于=500kg/(m·s)條件下的曲線要明顯高于=200kg/(m·s)和=300kg/(m·s)條件，這與之前的文獻(xiàn)實驗結(jié)果的趨勢相一致。可能原因是在小流速范圍內(nèi)，由于多孔壁面微通道的多孔結(jié)構(gòu)對于沸騰換熱性能的提升已經(jīng)很明顯，流量的增加對于沸騰換熱的增強(qiáng)基本忽略不計；隨著質(zhì)量流率的進(jìn)一步增加，流量對于換熱增強(qiáng)不可忽略。多孔壁面微通道在=500kg/(m·s)階段的兩換熱系數(shù)相對于=200kg/(m·s)情況下最大提升了30%，多孔壁面微通道在高流速情況下流動沸騰傳熱性能顯著增強(qiáng)。

3 結(jié)論

采用激光直寫的方法，在光滑微通道表面進(jìn)行激光改性形成多孔壁面微通道結(jié)構(gòu)，對其單相流動和兩相沸騰換熱性能進(jìn)行測試，并與未進(jìn)行處理的光滑微通道進(jìn)行對比。主要結(jié)論如下。

（1）多孔壁面微通道壁面內(nèi)多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了邊界層擾動和再生，相比于光滑微通道提升了21%～31%，流動壓降Δ是未進(jìn)行處理的光滑微通道的1.4～1.8 倍。綜合性能因子隨的增加總體呈上升趨勢，最大達(dá)到1.17。

（2）多孔壁面微通道在相同流量下，其核態(tài)沸騰起始點相比于光滑微通道結(jié)構(gòu)降低了35%。其表面粗糙多孔結(jié)構(gòu)為流體沸騰換熱提供了大量的活化核心，從而實現(xiàn)在更小的壁面過熱度下的起始沸騰成核。

（3）相比于光滑微通道，多孔壁面微通道兩相沸騰換熱系數(shù)最高提升可達(dá)83%。在中高熱通量下，粗糙多孔結(jié)構(gòu)可以保證對流沸騰過程中的持續(xù)液體供給，延緩了干涸現(xiàn)象的形成，從而顯著提高了兩相換熱系數(shù)。高質(zhì)量流速對于兩相沸騰換熱性能有促進(jìn)作用，在=500kg/(m·s)情況下多孔壁面微通道兩換熱系數(shù)相對于=200kg/(m·s)情況下最大提升了30%。

該多孔壁面微通道在實際應(yīng)用中相比于光滑微通道可以顯著提升散熱能力，從而降低高熱通量器件的表面溫度，保證電子器件安全穩(wěn)定地運行，提高電子器件的使用壽命。

符號說明

—— 微通道底面積，m

—— 微通道橫截面積，m

—— 總換熱面積，m

—— 微通道側(cè)面面積，m

—— 微通道底面面積，m

c—— 比熱容，kJ/(m·K)

—— 水力直徑，m

—— 摩擦系數(shù)

—— 質(zhì)量流速，kg/(m·s)

—— 微通道的高度，m

—— 單相換熱系數(shù)，W/(m·K)

—— 兩相換熱系數(shù)，W/(m·K)

—— 輸入電流，A

—— 去離子水的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

—— 微通道長度，m

—— 入口到測溫點對應(yīng)壁面的水平距離，m

?—— 質(zhì)量流率，kg/s

—— 努塞爾數(shù)

—— 綜合性能因子

Δ—— 進(jìn)出口壓降，kPa

—— 有效能量，kW

—— 加熱棒輸入總功率，kW

—— 損失能量，kW

—— 有效熱通量，kW/m

—— 總熱阻，K/W

—— 流體溫度，℃

—— 熱電偶測量溫度，℃

—— 進(jìn)口溫度，℃

—— 出口溫度，℃

—— 壁面溫度，℃

Δ—— 壁面過熱度，℃

—— 輸入電壓，V

—— 微通道寬度，m

—— 肋片效率

—— 傳熱比

f—— 流體

in—— 進(jìn)口

out—— 出口

w—— 壁面