例文-微尺度相变传热的研究进展

微尺度相变传热的研究进展

扬衡

(20132346001，新能源应用技术)

摘要：微尺度相变传热的实验和理论分析证实了微尺度结构具有高效传热的特性，并预示了该技术在电子通信、生物医药以及化工等领域为MEMS进行冷却应用上的巨大前景。微尺度相变传热出现了不同于常规尺度的物理现象，原因可以分为两类：一类是连续介质的假定不再适用，一类是各种作用力的相对重要性发生了变化。本文围绕微尺度相变传热的流型、不稳定性和表面性质的影响三个方面，对现有的研究成果进行了综述，并对微尺度相变传热的发展趋势做出了展望。

关键词：微尺度，相变传热，流型，不稳定性，表面性质

1 引言

随着微加工制造技术的迅猛发展，各种结构精细、功能完善的微型电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)被陆续开发出来，并广泛地运用于电子通信、生物医药以及化工等领域[1,2]。在这些工程应用中，MEMS呈现出了高集成度、高功耗和微尺度的特点。然而，快速增加的系统发热已经成为MEMS研发和应用的一项重大挑战。以电子芯片为例，元器件的失效率随着器件温度的上升呈指数规律上升，元器件在70~80 ℃温度水平上每升高1 ℃，其可靠性降低5 %[3]。因此，在对高热流密度的MEMS进行结构设计和功能优化时，如何解决MEMS的散热问题迫在眉睫。

目前，为了能够实现大热流密度的热量传输通常采用微尺度的相变传热技术，诸如微流道热沉、微流体传热和微热交换器等[4-6]。按当量直径的范围，相变传热的通道可划分为大通道(≥3 mm)、细通道(200 μm~3 mm)和微通道(10 μm~200 μm)。近年来，国内外对微尺度相变传热的实验和理论分析工作均证实了微尺度结构具有高热流密度传热的特性，微通道/微热管相变传热的等效传热系数远大于传统材料的传热系数，约为5 000~30 000 W/(m·K)[7]。由于尺度的减小和面体比的增大，微尺度相变传热中各种表面性质(表面粗糙度、浸润性)和表面作用力(表面张力等)的作用更为突出，体积力的作用(重力等)更为削弱。因此，流体在微通道中会产生不同于常规通道的热流体动力学作用，涉及到毛细流动、微通道内的压降、流体的加热和蒸发、单相流/多相流、沸腾和气泡、汽-液两相流的混合机制等(图1)[8]，这些作用极大地影响了

微通道散热元器件的传热特性。微尺度相变传热之所以会出现与常规尺度不同的物理现象，原因可以分为两类：一类是连续介质的假定不再适用，另一类则是各种作用力的相对重要性发生了变化[3]。

(1-a) 微尺度相变传热机制(1-b) 微通道内各种微热流体的动力学过程

图1 微尺度的相变传热[8]

本文围绕着微尺度相变传热的流型、不稳定性和表面性质的影响三个方面，对现有的研究成果进行了综述，并对微尺度相变传热领域的发展趋势做出了展望。

2 微尺度相变传热的流型

流型表征了两相系统的流动结构，受到力学因素的制约，并极大地影响系统的传热性能。汽-液两相系统的压降、传热系数、临界热流密度等均与流型有关。由于体积力的作用可以被忽略，微尺度相变传热的流型更为规整独特。

Wu和Cheng[9]对梯形截面并行硅微通道(D e = 82.8 μm, 158.8 μm)中水的沸腾流动进行了可视化与压力/温度等动态参数测量的同步实验研究。借助显微镜和高速摄影系统，他们观察到了泡状流、弹状流、混状流以及其它特殊的流型。Wu和Cheng[10]还对梯形截面硅微通道(D e = 186 μm)中去离子水的沸腾传热进行了实验研究。在热流

(2-a) 液相流动阶段(2-b) 汽-液两相流动阶段(2-c) 汽相流动阶段

图2 液相/两相/汽相间歇流[10]

密度为22.6 W/cm2、质量流速为11.2 g/(cm2·s)时，由可视化测量发现了一种特殊的两相流流型：液相/两相/汽相间歇流，如图2所示。

蔚萌萌等[11]对梯形截面并行硅微通道(D e= 77.5 μm)中水蒸汽的凝结相变过程进行了可视化实验研究。在实验中观察到了如图3所示的由环状流向塞泡状流转变的过渡流形式-喷射流。

图3 硅微通道中的凝结流型演变过程[11]

Hetsroni等[12]在3种三角形微通道(D e = 103 μm, 129 μm, 161 μm)中进行了汽-水两相流的实验研究。按流动机制，他们将汽-液两相流分为低热流密度和高热流密度两种情况。在低热流密度情况下，并联通道的部分区域被液相占据，其它区域被汽相占据。整个通道壁面的平均温度低于水的饱和温度，并在壁面上产生汽化核心。尺寸在30 μm量级上的小气泡形成、增长并向微通道下游掠过。在高热流密度情况下，所有微通道中均出现类似周期性的蒸干和液相重新进入通道的现象，亦即发生了两相回流现象。

流型研究的重要性不言而喻。上述研究中发现的一些特殊流型的形成机理还有待进一步探明。

3 微尺度相变传热的不稳定性

目前，对于微尺度相变的流动与传热不稳定性的研究比较少。最近的研究工作表明，微尺度相变传热具有不同于常规尺度情形的特点，特别是具有周期性流动的特点。

Hetsroni等[13]在当量直径为130 μm的21个并行三角形微通道热沉上进行了Vertrel XF为工质的沸腾传热实验。在均匀受热条件下，对微通道内的流动不稳定性进行了可视化与动态参数测量的同步研究，发现了微通道内周期性沸腾的现象。在一整周期内，汽-液两相存在的时间约为0.05 s，单相液体存在的时间为1.5~2 s。正是由于汽-液两相和液体间歇地流过通道，导致了压力的脉动与传热系数随时间的变化。此外，实验结果表明温度脉动的实时特性是与压力脉动相对应的，压力脉动的最大值与微通道的压降值相差不大。

Wu和Cheng[9]在梯形截面的并行硅微通道中进行了水沸腾流动的可视化与测量的同步实验研究。他们采用的两组并行微通道的当量直径分别为：82.8 μm和158.8 μm。