IJHMT：燒結(jié)多孔銅微通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰

論文信息：

Zhaoxuan Liu , Jingwei Han , Xiaohu Wu , Biao Zhang , Wenming Li, Flow boiling in sintered porous copper microchannels,International Journal of Heat and Mass Transfer 261 (2026) 128524

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128524

Part.1

研究背景

人工智能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車(chē)逆變器的快速發(fā)展，對(duì)高功率密度電子器件的冷卻技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。有效的冷卻技術(shù)能保障電子器件的安全運(yùn)行，尤其是在超高熱流密度工況下。然而，強(qiáng)制冷卻、單相液冷、均熱板和熱管等傳統(tǒng)冷卻方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超高熱流密度的熱量耗散。迄今為止，研究人員已將微腔、微孔結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)涂層等多種微 / 納結(jié)構(gòu)集成到微通道中，通過(guò)大幅增加成核點(diǎn)顯著強(qiáng)化核態(tài)沸騰，同時(shí)氣泡脫離尺寸的減小也能大幅提高氣泡脫離頻率。另一方面，分段式 / 互連式微通道可通過(guò)控制成核尺寸，促進(jìn)氣泡的生長(zhǎng)與脫離。除核態(tài)沸騰外，薄膜蒸發(fā)是微通道流動(dòng)沸騰的另一強(qiáng)化因素，其過(guò)程受兩相流流型轉(zhuǎn)變的影響。為同時(shí)強(qiáng)化核態(tài)沸騰和薄膜蒸發(fā)，本研究設(shè)計(jì)了一種新型微通道結(jié)構(gòu)，其特征為燒結(jié)銅粉多孔側(cè)壁，并采用銅網(wǎng)替代粉體基底燒結(jié)在微通道底面，大幅降低熱阻。為進(jìn)行全面對(duì)比，本研究還制備了另外兩種樣品，包括底面為 1 mm 厚燒結(jié)粉體的多孔微通道和數(shù)控加工的光滑壁面微通道。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

圖 1展示了本研究設(shè)計(jì)的三種結(jié)構(gòu)完全不同的微通道散熱器，包括數(shù)控加工光滑壁面微通道、1 號(hào)多孔微通道和 2 號(hào)多孔微通道，微通道散熱器的長(zhǎng)、寬、高分別為 20 mm、10 mm、1 mm，微通道寬度為 0.5 mm，散熱器包含 10 條平行微通道。

圖 1 三種微通道結(jié)構(gòu)示意圖及其熱阻網(wǎng)絡(luò)：(a) 數(shù)控加工光滑壁面微通道；(b) 1 號(hào)多孔微通道；(c) 2 號(hào)多孔微通道

圖 2 展示了兩種散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖及尺寸參數(shù)，為測(cè)量分布式溫度，在微通道底面下方布置了七個(gè)熱電偶，熱電偶間的間距各不相同。圖 2 (b) 和圖 2 (e) 為兩種多孔微通道的詳細(xì)尺寸，圖 2 (c) 和圖 2 (f) 為兩種微通道結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。

圖 2 兩種散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖：(a) 1 號(hào)多孔微通道散熱器整體圖及溫度測(cè)量點(diǎn)；(b) 1 號(hào)多孔微通道的尺寸參數(shù)；(c) 粉體燒結(jié)多孔微通道（1 號(hào)）的掃描電鏡圖像；(d) 2 號(hào)多孔微通道散熱器整體圖及溫度測(cè)量點(diǎn)；(e) 2 號(hào)多孔微通道的尺寸參數(shù)；(f) 銅網(wǎng)燒結(jié)多孔微通道（2 號(hào)）的掃描電鏡圖像

本研究開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的燒結(jié)工藝制備微通道散熱器。圖 3 (a) 為燒結(jié)過(guò)程的簡(jiǎn)化示意圖，包括粉體填充、銅塊壓實(shí)后高溫?zé)Y(jié)和脫模三個(gè)步驟；圖 3 (b) 為 1 號(hào)多孔微通道的燒結(jié)工藝。圖 4 為 2 號(hào)多孔微通道的制備工藝。本研究在三種平整表面（數(shù)控加工平整表面、粉體燒結(jié)平整表面、銅網(wǎng)燒結(jié)平整表面）上進(jìn)行了靜態(tài)接觸角測(cè)量。

圖 3 1 號(hào)多孔微通道散熱器的制備工藝：(a) 燒結(jié)工藝簡(jiǎn)圖；(b) 具體制備流程

圖 4 2 號(hào)多孔微通道散熱器的制備流程

圖 5 (a) 為三種樣品的靜態(tài)接觸角圖像。圖 5 (b)、5 (c) 和 5 (d) 為本研究還開(kāi)展的液滴在三種表面上的動(dòng)態(tài)撞擊實(shí)驗(yàn)。

圖 5 三種不同平整表面的靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果 (a) 及液滴在不同表面的動(dòng)態(tài)行為：(b) 數(shù)控加工光滑壁面微通道；(c) 1 號(hào)多孔微通道；(d) 2 號(hào)多孔微通道

為表征測(cè)試樣品的芯吸性能，本研究開(kāi)展了毛細(xì)上升實(shí)驗(yàn)。具體而言，將平整的數(shù)控加工表面樣品和兩種燒結(jié)樣品垂直置于儲(chǔ)水槽中，通過(guò)高速攝像機(jī)以 120 幀 / 秒的幀率記錄毛細(xì)上升過(guò)程，結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 不同表面的毛細(xì)上升對(duì)比：(a) 數(shù)控加工平整表面；(b) 粉體燒結(jié)平整表面；(c) 銅網(wǎng)燒結(jié)平整表面；(d) 毛細(xì)上升高度隨時(shí)間的變化實(shí)測(cè)曲線

圖 7 為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，該系統(tǒng)由銅微通道散熱器、聚醚醚酮流道殼體、石英玻璃板（導(dǎo)熱系數(shù)約 1.3 W?m?1?K?1，透光率 93%）和不銹鋼蓋板組成。

圖 7 測(cè)試段的主要組成部件

實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置主要由可視化模塊、數(shù)據(jù)采集儀器和開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)組成。儲(chǔ)氣瓶提供的高壓氮?dú)庾鳛橐后w流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，齒輪流量計(jì)（CX-M5.2，精度 ±0.5%）監(jiān)測(cè)體積流量，T 型熱電偶（歐米茄，精度 ±0.5℃）采集溫度數(shù)據(jù)，PCM300D 壓力傳感器（精度 ±0.5%）獲取進(jìn)出口壓力，流量、溫度和壓力信號(hào)通過(guò)安捷倫 34970A 數(shù)據(jù)采集儀記錄，高速攝像機(jī)（Photron FASTCAM SA4）用于記錄兩相流行為（圖 8）。

圖 8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體示意圖

本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試段的散入空氣中的熱損失進(jìn)行了測(cè)量，圖 9 顯示微通道蒸發(fā)器的熱損失與壁面平均溫度呈線性關(guān)系。計(jì)算得到的顯熱增量與熱電偶測(cè)得的溫差進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)相關(guān)公式確定理論溫差，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基于守恒原理的理論預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，圖 10 顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值吻合良好。

圖 9 熱損失標(biāo)定曲線

圖 10 實(shí)測(cè)溫差與基于能量守恒的理論預(yù)測(cè)值對(duì)比

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了三種不同結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰傳熱特性，圖 11 展示了不同流量下各微通道的流動(dòng)沸騰曲線，反映了熱流密度隨壁面過(guò)熱度的變化規(guī)律，二者呈單調(diào)遞增關(guān)系。圖 11 還展示了總傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化情況。

圖 11 不同流量下，燒結(jié)多孔壁面微通道與數(shù)控加工光滑壁面微通道的傳熱性能

多孔微通道可通過(guò)豐富的成核點(diǎn)，顯著降低泡核起始過(guò)熱度，強(qiáng)化核態(tài)沸騰傳熱。圖 12 對(duì)比了兩種多孔微通道與數(shù)控加工微通道的流動(dòng)沸騰傳熱性能，選取兩種入口流量開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

圖 12 燒結(jié)多孔壁面微通道與數(shù)控加工光滑壁面微通道的熱性能對(duì)比

圖 13 對(duì)比了 50 mL?min?1 和 70 mL?min?1 體積流量下，不同微通道的實(shí)測(cè)總壓降。兩相流壓降隨有效熱流密度的增加顯著上升，這是由于流動(dòng)沸騰過(guò)程中產(chǎn)生大量蒸汽，氣泡運(yùn)動(dòng)加速所致。

圖 13 50 mL?min?1 和 70 mL?min?1 流量下的實(shí)測(cè)壓降對(duì)比

為闡明燒結(jié)多孔微通道流動(dòng)沸騰性能的強(qiáng)化機(jī)制，本研究開(kāi)展了可視化研究。圖 14 首先展示了低熱流密度工況下，數(shù)控加工光滑壁面微通道三個(gè)區(qū)域的典型核態(tài)沸騰現(xiàn)象。

圖 14 30 mL?min?1 流量、80 W?cm?2 熱流密度工況下，核態(tài)沸騰現(xiàn)象及兩相流流型沿通道的轉(zhuǎn)變過(guò)程（數(shù)控加工光滑壁面微通道）

圖 15 顯示兩種燒結(jié)多孔微通道內(nèi)的核態(tài)沸騰十分劇烈，原因是人工成核點(diǎn)的大量增加，成核氣泡的尺寸更小，進(jìn)而顯著提高氣泡脫離頻率。

圖 15 30 mL?min?1 流量、80 W?cm?2 熱流密度工況下，多孔微通道內(nèi)的強(qiáng)化核態(tài)沸騰現(xiàn)象：(a) 1 號(hào)多孔微通道；(b) 2 號(hào)多孔微通道

在更高熱流密度、出口蒸汽干度更大的工況下，燒結(jié)多孔微通道與數(shù)控加工光滑壁面微通道的兩相流流型差異更為顯著。蒸汽占比的增加，會(huì)加劇受限微通道內(nèi)的兩相流流型轉(zhuǎn)變。

圖 16 液體更新行為的差異：(a) 數(shù)控加工光滑壁面微通道入口段出現(xiàn)嚴(yán)重蒸汽回流，且蒸汽彈持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；(b) 1 號(hào)多孔微通道入口段出現(xiàn)蒸汽回流，但液體補(bǔ)充速度快；(c) 30 mL?min?1 流量、150 W?cm?2 熱流密度工況下，2 號(hào)多孔微通道內(nèi)液體快速再潤(rùn)濕，形成連續(xù)液膜

傳統(tǒng)的在基底燒結(jié)較厚銅粉層的多孔微通道，傳熱效率較低。與之相比，本研究提出了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，將單層銅網(wǎng)直接燒結(jié)在微通道基底，該方法在保留劇烈沸騰所需豐富成核點(diǎn)的同時(shí)，最大限度降低了熱阻，因此即使在高熱流密度工況下，也能維持穩(wěn)定、高效的傳熱。此外，多孔銅網(wǎng)帶來(lái)的強(qiáng)化毛細(xì)芯吸和快速液體再潤(rùn)濕作用，大幅延緩了干涸現(xiàn)象的發(fā)生，共同促成了臨界熱流密度的顯著提升（圖 17）。

圖 17 不同微通道的臨界熱流密度對(duì)比圖 18 280 W?cm?2 熱流密度、70 mL?min?1 流量工況下，不同散熱器的 (a) 壁面溫度和 (b) 兩相流壓降振蕩對(duì)比

本研究對(duì)三種散熱器內(nèi)微通道流動(dòng)沸騰的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，圖 18 展示了 70 mL?min?1 流量、280 W?cm?2 熱流密度工況下，30 s 短時(shí)間內(nèi)壁面平均溫度和兩相流壓降的變化情況。在此工況下，三種散熱器內(nèi)均出現(xiàn)無(wú)序的兩相流，同時(shí)壁面溫度和壓降呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

圖 18 280 W?cm?2 熱流密度、70 mL?min?1 流量工況下，不同散熱器的 (a) 壁面溫度和 (b) 兩相流壓降振蕩對(duì)比

Part.3

研究總結(jié)

本研究系統(tǒng)探究了燒結(jié)多孔微結(jié)構(gòu)對(duì)微通道流動(dòng)沸騰傳熱的影響，通過(guò)單層銅網(wǎng)替代銅粉基底燒結(jié)于微通道底面，大幅降低基底熱阻，同時(shí)借助燒結(jié)多孔微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化毛細(xì)作用、促進(jìn)液體鋪展。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)銅粉基底多孔微通道因高熱阻限制了高熱流密度下的散熱性能，而銅網(wǎng)基底的多孔微通道（）可在保持強(qiáng)毛細(xì)芯吸能力的同時(shí)降低熱阻，使泡核起始過(guò)熱度大幅降低至 0.2~2 K，還能通過(guò)多孔側(cè)壁促進(jìn)液體鋪展與毛細(xì)再潤(rùn)濕，形成穩(wěn)定薄液膜、抑制局部干涸。該結(jié)構(gòu)在 90 mL?min?1 流量下實(shí)現(xiàn)了 500 W?cm?2 的臨界熱流密度，70 mL?min?1 流量下傳熱系數(shù)較數(shù)控光滑壁面微通道提升 210.3%，且未增加壓降，流動(dòng)沸騰的溫度和壓降穩(wěn)定性也顯著提升。本研究明確了基底熱阻在多孔微通道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用，為研發(fā)高性能流動(dòng)沸騰散熱器提供了可規(guī)模化的技術(shù)方案。

Flow boiling in sintered porous copper microchannels.pdf

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