随着电子功率器件不断往高集成度、高速度、多功能、小型化发展， 单位体积/表面积发热量急剧提高，散热问题已经成为功率器件损坏的重要原因。相对于微通道相变冷却技术，它可以集成到功率器件的内部，其系统结构紧凑，相变潜热高，换热系数大，需要流量少，泵功耗低（见图 1 所示）。因此微通道内流动沸腾相变冷却技术是解决高热流密度下功率器件散热问题的最有效方案之一。 但是由于流动沸腾本身就是一个极为剧烈且复杂的多相流动过程，气泡的生长、 膨胀及运动极易受到诸多因素影响，再加上微通道显著的尺度效应，导致各种工 质在微通道中的流动沸腾过程的稳定性较差。微通道内一旦发生不稳定沸腾，可能会导致并联多通道之间的流量分配不均、间歇性热点、流量和压降振荡等一系列问题。此外，对于复杂的泵驱动两相散热系统，提出了高效运行调控的新挑战。 散热系统需要实时监测和调整，以响应内部和外部参数的变化，来保持高效的散热性能。

图 1.  各类散热技术的散热能力和性能

针对以上问题，本课题以提高泵驱动微通道两相散热系统流动稳定性和保持最优运行状态为目标，针对微通道两相散热系统动态调控困难的现状，从抑制系统内流动沸腾不稳定性的角度出发，以新型环保介电液体 R1233zd(E)作为沸腾工质，构建一套泵驱动的微通道两相散热实验系统装置，基于主被动调控方法，深入研究微通道两相散热系统流动不稳定特性、沸腾强化机理以及系统参数之间耦合调控关系。具体的研究内容和成果如下：

微通道内流动沸腾热质传递过程的数值分析。为了探究微通道内两相换热机制，针对微通道内流动沸腾热质传递过程进行数值模拟，对于壁面成核模型采用成核数量与活化温度的关系进行成核点的布置，基于薄液膜蒸发理论优化气液相界面蒸发模型。通过与实验对比验证了模型的可靠性，此外针对不同类型的微通 道进行数值计算（见图 2），分析管内流型分布、沸腾换热特性以及通道内压力波动。研究结果表明，微通道内的压降波动与气泡的快速生长和气弹在出口处的排气密切相关。

图 2.  不同类型微通道热沉的温度与流型分布

泵驱动平行微通道内流动不稳定性机理及其参数耦合影响关系。为了研究低沸点工质R1233zd(E)在微通道内的流动沸腾稳定性, 设计和搭建了一套适用于研究泵驱动微通道两相散热系统流动沸腾换热的实验装置（见图 3 所示）。获得微通道内典型的流动不稳定实验现象，确定了流动沸腾不稳定性的起始点及边界，计算和观察流动沸腾曲线及流型特征，讨论可压缩容积分布对系统稳定性的影响，阐释了不稳定性边界以及不稳定性机理。为了提高流动稳定性，基于系统层面，蓄能器在泵与冷凝器之间可以抑制压降波动不稳定性。基于微通道内部结构，流量分配问题，采用射流结构即导流管将工质流体均匀送到每个通道的入口，可见在根源上解决了通道上游的可压缩空间及通道间的流量分配问题，有效的抑制了气泡往上游膨胀及通道间的相互作用。

图 3  微通道测试段的结构示意图

逆流连通微通道（CFIM）热沉结构抑制流动不稳定性强化沸腾换热。基于“均化通道干度”的思想，提出垂直射流+逆流连通微通道的结构。通过缩短进出口长度并替代下游，从根本上解决下游干涸的问题。相比于顺流微通道（CCM）和逆流微通道（CFM），CFIM 壁面所需的过热度大幅度降低，最大可超过 20 ℃ 。 CHF 性能平均提升 68.7-100.5% ，HTC 性能提升 47.6%-83.6% 。CFIM 的通道底 部最大温差相对于 CCM 降低了 75.4%-83.6%。对于 CFIM 沟槽的宽度是影响流动沸腾性能的关键，IM0.2（沟槽宽度）性能最优，最高热流密度可以达到 293 W/cm² 。CFIM 通道的换热性能受到沟槽排列方式的影响，在错排 (CFSIM)  和 斜排 (CFTIM) 45°布置下，连通槽的作用使得流体更容易进入相邻通道，这意味着其两侧的压差更大，流体更倾向于相邻通道而非主流通道，导致主通道的流量大幅受损。说明逆流连通微通道中沟槽设计对通道的换热性能影响至关重要。

铜粉烧结形成的微多孔层修饰表面逆流连通微通道内沸腾换热特性及其参数耦合影响关系。为了研究修饰表面与逆流连通微通道组合使用条件下，对微通道内流动沸腾的流动传热特性、强化效果和机理进行分析。通过在微通道侧壁使用铜粉烧结工艺形成的微多孔层作为修饰表面的强化手段（见图 4 所示），详细研究微多孔层形貌、铜粉粒径、铜粉烧结厚度以及铜粉烧结位置对流动沸腾换热特性的影响。并对铜粉烧结表面内的毛细吸液过程进行机理性分析， 研究结果表明，相对于光滑表面的逆流连通微通道而言，铜粉烧结形成的微多孔层显著提升 了流动沸腾的传热特性。主要表现为较低的沸腾起始过热度、qCHF 和 HTC-h_tp 性能提高。此外微多孔层侧壁的微通道内展现出较为均匀的液膜分布，这种连续的薄液膜有助于维持通道内的环状流，促进薄液膜蒸发，有效避免了因液膜断裂 或者气泡核化所引起的局部干涸现象。微多孔层的吸液能力 (V΄)  与临界热流密 (CHF)  度呈良好的线性关系。

图 4.  不同粒径下所制备的微多孔层的孔隙形貌

基于自抗干扰控制方法对泵驱动微通道两相散热系统自适应调控。针对微通道内的瞬态热负荷、高热流密度和精准控温要求， 基于泵驱动微通道两相散热回路，构建了一套实时监测和调节温度的主动热控系统（见图 5 所示）。研究结果表明，泵驱两相散热系统是一个多自由度，多目标控制问题，通过对执行器（齿 轮泵、预热器、微型气泵）的监控和控制，可以调节系统的流量、过冷度和蓄能器压力，从而实现泵驱动两相散热系统的综合调控。 主要包括辅助前馈过冷/流量控制回路和基于自抗干扰控制的主控制回路。实验结果验证了该控制结构的有效性和自抗干扰控制器的优越性，与 PI 控制器相比，该控制结构在温度跟踪和抗干扰方面表现突出。

图 5.  实验系统控制示意图

以上研究成果将有效指导未来嵌入式超高热流密度蒸发器件的设计，具有重要的理论意义和潜在的工程应用价值。

撰稿：汪大海

核稿：耿传文