孫雄康，李強

（南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京 210094）

引 言

隨著電子器件高度集成化，熱通量逐漸增大，先進的高熱通量和大功率電子設備通常需要高效的散熱解決方案來確保其穩(wěn)定運行。氣/液相變冷卻技術是較好的冷卻解決方案之一，其傳熱系數(shù)高，可以快速帶走大量的熱量。但相變傳熱技術的應用受到臨界熱通量（CHF）的限制，它決定了沸騰傳熱裝置的上限。

目前大量研究[1-7]表明優(yōu)異的多孔表面能夠提供更多的汽化核心、更強的液體供應能力來實現(xiàn)沸騰傳熱性能的提高，提升臨界熱通量，這為多孔表面的設計提供了理論依據(jù)。強化表面結(jié)構是更易實現(xiàn)的強化沸騰換熱手段，不同的制備方法可以得到各種形式的強化表面：機械加工表面[8-10]、化學處理表面[11-12]、粗糙表面[13]、燒結(jié)表面[14-16]等。燒結(jié)型多孔表面由于比表面積大、傳熱系數(shù)高、臨界熱通量高，已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。

Webb[17]指出多孔層是較容易實現(xiàn)的強化技術。Hwang等[18]對不同粒徑（40～80 μm）的銅粉顆粒進行燒結(jié)，結(jié)果證明臨界熱通量可提高1.8倍。Liter等[19]燒結(jié)出幾何外形為錐形、厚度不均的多孔結(jié)構，發(fā)現(xiàn)臨界熱通量為76 W/cm2，相當于光滑表面（25 W/cm2）的3 倍。Min 等[20]燒結(jié)出不同幾何外形的2-D、3-D 多孔結(jié)構，發(fā)現(xiàn)臨界熱通量與結(jié)構的間距有關，并指出結(jié)構的間距與高度相同時，沸騰傳熱效果更好。Ze等[21]利用電化學沉積法制備出微米孔、納米錐復合結(jié)構，發(fā)現(xiàn)微米孔結(jié)構臨界熱通量和傳熱系數(shù)分別為272 W/cm2和10.5 W/（cm2·K），比光滑表面分別提升了64%和147%。納米錐復合結(jié)構臨界熱通量為284 W/cm2，最大傳熱系數(shù)為14.7 W/（cm2·K），比光滑表面分別提升了71%和250%，相比普通納米錐結(jié)構分別提升了5%和35%。

黃青松[22]利用固相燒結(jié)和微細銑削加工技術制備出了內(nèi)凹槽多孔復合結(jié)構，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)最高達到12.8 W/（cm2·K），臨界熱通量達到247 W/cm2，并且粒徑在50～75 μm時傳熱性能更佳。尹德蓉[23]利用電火花切割工藝制備柱狀復合多孔結(jié)構，發(fā)現(xiàn)柱狀復合結(jié)構的臨界熱通量為331 W/cm2，是均勻泡沫銅的1.52 倍。傳熱系數(shù)最大達到14.3 W/（cm2·K），是均勻泡沫銅的2.47 倍，并且在柱高3.2 mm、柱間距0.3 mm 時傳熱性能更好。Yang等[24]利用電沉積技術制備了徑向梯度孔徑蜂窩狀多孔結(jié)構，發(fā)現(xiàn)在高熱通量下，徑向梯度孔徑蜂窩狀多孔結(jié)構的傳熱系數(shù)比均勻結(jié)構高，梯度最大時傳熱系數(shù)達到16.1 W/（cm2·K），是均勻結(jié)構的1.3倍，是純銅表面的3.5倍。

綜上所述，以上文獻分別研究了不同多孔表面的沸騰傳熱特性，雖然性能有所增強，但臨界熱通量提升有限，仍不能解決部分高熱通量電子器件的散熱需求，為此需要研發(fā)出具有更強傳熱性能、更高臨界熱通量的多孔表面。本文制備了一種具有大量汽化核心和較強液體回流能力的復合多孔表面，在大氣壓下用去離子水對多孔表面進行池沸騰傳熱實驗，并與光滑表面的傳熱性能對比。通過實驗數(shù)據(jù)深入了解復合多孔表面強化沸騰傳熱機理。

1 復合多孔表面的制備

強化沸騰傳熱的關鍵是改善表面結(jié)構，強化后的多孔表面具有較大的比表面積和更多的活化孔隙。為了提高臨界熱通量和傳熱系數(shù)，設計并制備了三種多孔表面：均勻多孔表面和復合多孔表面（16 芯和32 芯），如圖1 所示。均勻多孔表面制備如下：先將球形銅粉顆粒填充在石墨模具的型腔中，待填充好后將紫銅基板放在頂部進行燒結(jié)，在900℃燒結(jié)1 h[25]。為了探究復合芯的強化沸騰傳熱效果，均勻多孔表面用來與復合多孔表面的傳熱性能進行對比。

圖1 三種不同多孔表面實物圖Fig.1 Physical pictures of three different porous structures

復合多孔表面是由球形銅粉在900℃下，在均勻多孔表面上原位燒結(jié)1 h 得到。設計了兩種不同芯數(shù)量（16 芯和32 芯）的復合多孔表面來研究芯數(shù)量對傳熱性能的影響，通過增加芯結(jié)構的數(shù)量并使每條芯變窄但變厚，理論上可以在不減小液體擴散層面積的情況下提高液體供應能力[26]。圖2 分別為幾種多孔表面的SEM 圖。另外，通過對比研究，選擇傳熱性能更佳的一種多孔復合結(jié)構進行優(yōu)化。實驗研究了顆粒直徑（30～100 μm）和高度（0.5 mm/1 mm/2 mm）等參數(shù)對結(jié)構沸騰傳熱性能的影響，以獲得更強的傳熱性能。

圖2 三種不同多孔結(jié)構樣品的SEM圖Fig.2 SEM images of three different porous structures

2 實驗部分

2.1 池沸騰系統(tǒng)

圖3 是池沸騰測試系統(tǒng)[27-29]示意圖。該裝置包括加熱系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)。四根相同規(guī)格的加熱棒嵌入銅塊中組成加熱系統(tǒng)，選擇特氟龍（因為其出色的可加工性和低熱導率）將樣品固定在加熱塊的頂部，合理調(diào)整尺寸以確保樣品完全暴露在池水中。在加熱塊和樣品的間隙中填充導熱硅脂（VK-887，熱導率為6.0 W/(m·K)）減少接觸熱阻。通過螺紋連接使裝置器件間機械接觸良好。在樣品和特氟龍槽之間的空隙中填充柔性環(huán)氧樹脂（3M DP190）以保證水密封。通過可變電壓控制電源，以確保所需的加熱功率。

圖3 池沸騰測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of pool boiling test system

在測試過程中，使用了多根K 型熱電偶來讀取溫度。圖4 是加熱系統(tǒng)及其測溫點示意圖，距表面2 mm 及9 mm 處加工出兩個直徑1 mm 深度10 mm的圓孔，孔內(nèi)插入直徑1 mm的K型熱電偶分別測量兩點的溫度T1和T2。表面溫度則通過安裝在銅基板中心背面凹槽的兩根K 型熱電偶測量得到，取T3和T4的平均值。另外再用一根直徑為0.5 mm 的K 型熱電偶置于結(jié)構表面上方測量工質(zhì)溫度，兩者的溫差即為壁面過熱度。

圖4 加熱系統(tǒng)及池沸騰測溫點示意圖Fig.4 Schematic diagram of heating system and pool boiling temperature measurement point

可視化部分是由高速攝像頭（IDTY4）和一個LED 探照燈組成。在全分辨率（1024×1024 像素）下，相機的幀頻為3000 幀/秒，縮小視窗可以實現(xiàn)更高的幀率，在研究中使用的最大幀頻為6000 幀/秒。變焦鏡頭（NavitarZoom6000）通過適配器（Navitar2.0x）連接到高速相機被用來放大觀察區(qū)域。鏡頭的可變放大倍率是物體原始尺寸的0.7～4.5 倍。相機和傳熱表面的角度設定為30°左右。通過該角度觀察，可以計算出成核位置的密度、氣泡離開直徑和氣泡離開頻率。為了降低影響，選擇了功率為100 W 的LED燈用作輔助光源。

實驗開始前，將去離子水注入容器中距樣品上表面約100 mm處，再打開主加熱器和輔助加熱器保持液體沸騰，除去不可冷凝的氣體，然后關閉加熱器待冷卻后開始測試。在實驗過程中，將工質(zhì)的溫度保持在一個大氣壓下（101325 Pa）的飽和溫度。數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)獲取間隔設置為4 s。每當功率變化時，熱電偶值的變化在10 min之內(nèi)小于0.2℃時，認為已達到穩(wěn)態(tài)。收集完數(shù)據(jù)后，再打開光源用高速相機拍攝照片。

2.2 數(shù)據(jù)誤差分析

實驗中直接測量參數(shù)的不確定性見表1。

表1 直接測量的不確定度Table 1 Uncertainty of direct measurement

根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，可以得出熱通量的表達式為：

式中，U是電源電壓；I是電源電流；D是加熱柱直徑。

壁面溫度Tw為：

式中，T3、T4是由布置在加熱面凹槽內(nèi)的兩根熱電偶測得的溫度。因為校準的K 型熱電偶精度為±0.2℃，則測量的T3、T4的誤差均為±0.2℃，推算出Tw的誤差為±0.2℃。對流傳熱系數(shù)為：

式中，Tw是壁面溫度，由安裝在樣品基板上的熱電偶測量得到；Tf是工質(zhì)的溫度。

利用誤差傳播法對測量參數(shù)的不確定度進行了分析，表2 列出了間接測量參數(shù)的不確定度?？紤]熱損失的情況下熱通量最大不確定度為8%，傳熱系數(shù)的最大不確定度為10.2%。

表2 間接測量的不確定度Table 2 Uncertainty of indirect measurement

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 沸騰傳熱性能

為了研究復合多孔表面的沸騰傳熱強化效果，選取了光滑表面、均勻多孔表面、復合16 芯多孔表面和復合32芯多孔表面進行池沸騰傳熱性能測試，結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 復合多孔表面與光滑表面的去離子水飽和池沸騰傳熱曲線Fig.5 Saturated pool boiling curves for de-ionized water on composite porous surface and plain surface

圖6 不同粒徑復合多孔表面的去離子水飽和池沸騰傳熱曲線Fig.6 Saturated pool boiling curves for de-ionized water on composite porous surface of different particle size

圖7 不同高度復合多孔表面的去離子水飽和池沸騰傳熱曲線Fig.7 Saturated pool boiling curves for de-ionized water on composite porous surface of different height

圖5是復合多孔表面與光滑表面的去離子水飽和池沸騰傳熱曲線，由圖可知，在整個測試階段，多孔表面的傳熱性能明顯優(yōu)于光滑表面，這表明多孔表面強化了沸騰傳熱；在熱通量低于60 W/cm2階段，盡管多孔表面?zhèn)鳠嵝阅芨鼜?，但光滑表面的傳熱系?shù)增長速率更快；其中，相比于復合多孔表面，均勻多孔表面的傳熱性能更強。繼續(xù)增加熱通量，光滑表面的傳熱系數(shù)增長緩慢，甚至有所下降，而多孔表面的傳熱系數(shù)保持增加的趨勢，直到接近CHF。在此區(qū)域三種多孔表面的傳熱性能有所不同：均勻多孔表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增長漸緩，復合32 芯多孔表面表現(xiàn)出強勢的增長趨勢，直到達到CHF。傳熱系數(shù)最高達到7.4 W/（cm2·K），是光滑表面的2.3倍。復合多孔表面主要通過以下方式強化沸騰傳熱效果：增加沸騰面積從而具有更多的汽化核心，促進氣/液分離，減少氣泡逸出阻力，以及加快液體回流。在高熱流區(qū)域，增加液體供給能力是提升傳熱性能的主要因素。

在實驗中還觀察到粒徑大小和CHF 增加之間的明顯趨勢，圖6 是不同粒徑復合32 芯多孔表面的去離子水飽和池沸騰傳熱曲線。由圖可知，粒徑從30 μm增加到60 μm時，結(jié)構傳熱性能的提升比較明顯，繼續(xù)增加到100 μm 時發(fā)現(xiàn)傳熱效果不增反降。分析認為粒徑影響結(jié)構的毛細性能，該參數(shù)決定液體沿多孔層擴散流動抵抗水力阻力的能力，研究表明粒徑60 μm時結(jié)構毛細性能較好。

圖7 是不同高度復合32 芯多孔表面的去離子水飽和池沸騰傳熱曲線。由圖可知，復合多孔表面的沸騰傳熱性能明顯優(yōu)于均勻多孔表面。這是由于復合多孔表面增加了沸騰時的總面積，進而增加了汽化核心數(shù)。隨著熱通量的增加，復合多孔表面上的活化孔隙逐漸被激活，直觀表現(xiàn)就是實驗中發(fā)現(xiàn)頂部芯結(jié)構表面也開始產(chǎn)生氣泡。在相同條件下復合多孔表面高度越高，汽化核心數(shù)就越多，傳熱效果就越好。復合結(jié)構柱高1 mm 時強化沸騰傳熱效果最佳，傳熱系數(shù)最高達到9.5 W/（cm2·K），是光滑表面的3 倍；臨界熱通量為386 W/cm2，是光滑表面的2.9 倍。繼續(xù)增加結(jié)構高度，發(fā)現(xiàn)傳熱性能出現(xiàn)下降。雖然高度越高，沸騰接觸面積越大，但工質(zhì)流動阻力也會增大，氣泡的逸出阻力增大，傳熱熱阻增加，進而抑制傳熱效果，兩者相互影響。

3.2 可視化研究

高速攝像表明，在不同熱通量下多孔表面的氣泡行為是各不相同的。存在三種沸騰狀態(tài)：孤立氣泡核沸騰、發(fā)展核沸騰、聚結(jié)核沸騰。在孤立氣泡區(qū)，能看到完整的氣泡循環(huán)周期：生成、脫離與等待；在發(fā)展核沸騰區(qū)，汽化核心數(shù)和氣泡數(shù)量都迅速增加，在表面形成連續(xù)上升的蒸汽柱，氣液對流劇烈，傳熱性能提升明顯；在聚結(jié)核沸騰區(qū)，生成的氣泡迅速聚結(jié)成蒸汽塊覆蓋在加熱表面，此時無法觀察到單個氣泡的行為軌跡，但可以分析蒸汽塊的脫離頻率和形狀。結(jié)構傳熱性能的變化都可以從氣泡行為找到依據(jù)。

圖8 是光表面與復合32 芯多孔表面的孤立氣泡核沸騰。由圖可知，根據(jù)單個氣泡的運動周期，可以從圖像中計算出有效汽化核心密度和脫離頻率。定義氣泡開始進入生長為0 ms，在16 ms 時光表面上只有6 個氣泡，而多孔復合表面上至少有十幾個氣泡。特別地，光表面上氣泡脫離需要12 ms，等待時間約為4 ms 以形成新的氣泡，而多孔復合表面氣泡脫離最快只要6 ms，幾乎不需要等待時間。由于具有更多的汽化核心和更高的脫離頻率，多孔結(jié)構的存在能有效強化沸騰傳熱效果。

圖8 孤立氣泡核沸騰（q=10 W/cm2）Fig.8 Isolated bubbles nucleate boiling(at heat flux 10 W/cm2)

當熱通量繼續(xù)增加，表面轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展核沸騰。圖9 是光滑表面與復合32 芯多孔表面的發(fā)展核沸騰圖片，由圖可知，過熱度的增加使得越來越多的汽化核心被激活。這時可以明顯觀察到表面的氣泡數(shù)量急劇增加，氣泡等待時間明顯縮短，氣泡離開直徑迅速增大。而且生成的氣泡比較分散，隨著氣泡互相合并，氣泡直徑增大，氣泡之間開始相互影響，在表面上方形成一道道連續(xù)上升的蒸汽柱。氣泡的每次脫離都會引起液體的劇烈擾動，伴隨著大量的液體補充，形成強烈的對流，帶來傳熱性能的快速提升。

圖9 發(fā)展核沸騰（q=32 W/cm2）Fig.9 Full developed nucleate boiling(at heat flux 32 W/cm2)

在高熱通量下，表面發(fā)展成聚結(jié)核沸騰，蒸汽柱聚結(jié)成直徑更大的蒸汽塊，并覆蓋在加熱面上方，氣泡的行為受前一個脫離的氣泡和附近的氣泡共同影響，氣液對流劇烈，進而使得傳熱系數(shù)快速增長，但蒸汽塊的形成嚴重影響了表面受熱區(qū)域液體的補充。光滑表面與多孔表面上方的蒸汽塊脫離頻率差異不大，在形狀大小上存在一些差異。圖10 是光滑表面與復合32 芯多孔表面的聚結(jié)核沸騰圖片，由圖10 可知，光滑表面上的聚結(jié)蒸汽塊長到21.4 mm 直徑需要60 ms，同時復合多孔表面只需要20 ms 就可以生長到13.8 mm 直徑。復合多孔表面的氣泡增長更快，體積更大，可以帶來更多的液體補充，提升傳熱系數(shù)，推遲臨界熱通量的到來。

圖10 聚結(jié)核沸騰（q=101 W/cm2）Fig.10 Bubble coalescence nucleate boiling(at heat flux 101 W/cm2)

可視化結(jié)果表明，光表面與復合多孔表面在不同熱通量階段的氣泡行為都不同，這解釋了它們在沸騰傳熱性能上的差異。均勻多孔表面強化了低熱通量階段的沸騰傳熱，而復合32芯多孔表面強化了高熱通量下的沸騰傳熱，因此后期需要研究提升復合多孔表面在低熱通量下的傳熱性能。

4 結(jié) 論

以去離子水為工質(zhì)的復合多孔表面核態(tài)池沸騰實驗，通過對沸騰傳熱性能和可視化圖像的研究，得到如下結(jié)論。

（1）復合芯結(jié)構的增加有效強化了沸騰傳熱效果，復合32芯多孔表面表現(xiàn)出更強的傳熱性能；粒徑影響著復合結(jié)構內(nèi)部的毛細性能，進而影響到結(jié)構的液體供應能力，在測試范圍內(nèi)60 μm 的復合多孔表面表現(xiàn)出更好的強化傳熱效果。柱高1 mm 的復合32 芯多孔表面，其臨界熱通量為386 W/cm2，是光滑表面的2.9倍。傳熱系數(shù)最高達到9.5 W/（cm2·K），是光滑表面的3倍。

（2）復合多孔表面由于具有更多的汽化核心和更高的汽泡脫離頻率，強化了沸騰傳熱。在高熱通量條件下，復合多孔表面上的聚結(jié)蒸汽塊生長更快且氣泡尺寸更大，氣泡脫離后帶來大量的液體補充，提升了沸騰傳熱系數(shù)，推遲了臨界熱流的到來。

符 號 說 明

D——加熱柱直徑，m

h——傳熱系數(shù)，W/（cm2·K）

I——變壓系統(tǒng)電源電流，A

L——熱電偶間的垂直距離，m

q——熱通量，W/cm2

Tf——工質(zhì)的溫度，℃

Tw——壁面的溫度，℃

U——變壓系統(tǒng)電源電壓，V