具有微結構表面的噴霧冷卻換熱試驗研究進展

（上海理工大學 制冷技術研究所，上海 200093）

具有微結構表面的噴霧冷卻換熱試驗研究進展

殷小明，劉 妮

（上海理工大學 制冷技術研究所，上海 200093）

噴霧冷卻是一種新型的散熱技術，具有大幅度提高電子元器件的散熱潛能，成為電子冷卻領域最受關注的冷卻方式之一。鑒于噴霧冷卻的傳熱機理較為復雜，噴霧冷卻傳熱受到許多因素的影響，本文著重介紹了熱表面結構對噴霧冷卻的影響。綜述了微肋結構、多孔微結構和表面粗糙度強化表面上噴霧冷卻的換熱特性及機理，分析和對比了不同表面的換熱效果，為噴霧冷卻強化換熱提供一個經濟而有效的方法，指出了今后研究的方向。

噴霧冷卻；散熱；綜述；電子元器件；表面結構；表面粗糙度

隨著電子元器件向小型化、輕量化和高度集成化發展，使得電子元器件的熱流密度迅速增大，因此，對散熱的要求越來越高。現今的冷卻方式主要包括微通道換熱、熱管冷卻、射流沖擊冷卻、噴淋冷卻及噴霧冷卻等[1-3]。微通道換熱裝置結構緊湊，但是壓降較大；熱管存在不相容性及傳熱極限；射流沖擊溫度不均勻，可能導致大的空間溫度梯度，并且受工質過冷度影響較大；噴淋冷卻所需要的空間較多。噴霧冷卻技術是借助高壓氣體或者冷卻工質自身的壓力通過噴嘴將冷卻工質霧化成 20～100 μm的微液滴，強制噴射到被冷卻物體熱表面，通過強制對流、液膜蒸發、核態沸騰以及二次核化等傳熱方式，帶走大量熱量，從而對散熱面進行有效冷卻的技術。噴霧冷卻以其散熱能力強、溫度均勻性好、冷卻工質用量少等特點，對于提高電子元器件的穩定性、高效性和使用壽命具有重要的意義，成為電子領域最受歡迎的冷卻方式之一。鑒于噴霧冷卻的傳熱機理較為復雜，噴霧冷卻傳熱受到許多因素的影響，所以在過去二十年里，研究人員已經對噴霧影響因素進行了大量研究，例如噴霧高度、噴霧壓力、傾斜角度和冷卻工質的流量和熱表面的性質等。學者們發現存在一個最優的噴霧高度和傾斜角度，當超過最優位置時，傳熱性能將會下降；在一定范圍的噴霧壓力和冷卻工質流量下，隨著壓力和流量的增加，換熱表面的熱流密度和換熱效率也越好[4-5]。

換熱表面結構也是一個重要因素，對噴霧冷卻來說，改變熱表面結構，會影響傳熱的性能和熱流密度以及冷卻的速度。近年來，隨著科學技術的發展，對光滑表面進行加工處理，可以獲得各種表面條件成為噴霧冷卻研究的新方向。受熱面的表面特征對傳熱性能的影響主要通過改變表面粗糙度、表面幾何形狀和增加表面涂層，能夠增加傳熱面積，延長傳熱時間以達到提高沸騰傳熱或液膜傳熱的目的。為了更加透徹地了解熱表面結構對噴霧冷卻的換熱性能影響，筆者以大量學者的試驗研究為基礎，綜述了微肋結構、多孔微結構和表面粗糙度等強化表面上噴霧冷卻的換熱特性及機理以及影響因素，為進一步強化噴霧冷卻的換熱提供理論依據。

1 微肋結構表面上換熱特性分析

許多研究工作者為更好地了解噴霧冷卻和相關傳熱有關參數進行試驗，發現將強化表面應用于噴霧冷卻中有助于提高噴霧冷卻的換熱。增加微肋結構能夠增加傳熱面積，表面開槽（表面開槽也相當于增加肋片）可有效阻止液滴滾離待冷面，延長液滴停留時間，但是何種強化表面上噴霧冷卻的換熱效果更好，以及強化結構上噴霧冷卻的換熱機理如何，是當下學者們一直研究的熱點和重點。

Eric等[6]使用PF-5060作為冷卻工質，研究了強化表面結構對噴霧冷卻換熱的影響，通過在銅塊加熱表面上端橫截面為 2 cm2加工的區域分別增加了立方翅片、三角錐和平直翅片結構，如圖1，發現強化結構能夠顯著提高噴霧冷卻的性能和臨界熱流密度以及多相效率，在單相換熱和多相換熱下均能增大熱流密度，其中平直翅片的效果最佳，其次是立方翅片和三角錐表面。這項試驗研究擴展工作由Sehmbey 等[7]進行，展示了當熱表面結構尺寸大于液膜厚度時，熱流密度仍然能夠被強化。Kim等[8]也得到了同樣的結論，在三角肋、立方體肋、直肋和光滑表面中，直肋表面強化效果最好，相比光滑表面增強 55%，并且試驗數據還表明結構表面的強化效果與換熱面積的增大量不成正比關系，推測肋片與表面呈銳角的情況下對表面流的約束作用會減弱。

圖1 三種強化表面結構[6]Fig.1 Three kinds of reinforcement surface structures[6]

劉妮等[9]搭建一套封閉式噴霧冷卻試驗系統，使用水作為冷卻工質，結合高速攝像儀對試驗進行可視化研究，分析對比光滑表面和微槽結構表面噴霧冷卻換熱特性。結果發現，相比光滑表面，微槽結構表面能夠極大地提高換熱性能，增加了汽化核心數，提升了噴霧冷卻熱流密度積；發現方形肋表面換熱效果最好，直肋表面次之，扇形肋表面較差，但均優于光滑表面。此外，驗證了增加微肋結構確實能夠增加換熱，但是為什么不同微肋結構會存在差異，說明噴霧冷卻表面的換熱不僅僅是由于換熱面積增加，還與開槽的方式有關。此外，試驗中發現噴霧冷卻存在溫度不均勻現象，且微肋結構表面溫度不均勻性大于光滑表面，但是降低系統壓力，這種溫度不均勻性可以得到明顯改善。

Sodtke等[10]制作了不同高度錐型結構表面，試驗發現相比光滑表面，在過熱度相同時，錐形結構表面能夠極大強化熱量傳遞過程，尤其在冷卻劑流量比較低的情況下，提高了噴霧冷卻的熱流密度。作者認為這種效應由于強化表面形成的三相接觸線長度增加，能夠更有效地促進薄膜蒸發和離開熱表面，提高了傳熱效率。利用紅外攝像儀測到，熱流密度隨著三相接觸線長度增加而增加，此外當冷卻劑液滴膜破裂時，溫度分布顯示更強的溫度梯度。

Hsieh等[11]以水作為冷卻工質，在低質量流量的噴霧冷卻下對平板硅表面和微肋硅表面的蒸發換熱的性能進行研究，發現微肋結構使核態沸騰流動性更強，且對于具有相同幾何形狀表面，微肋結構觀察到較高的蒸發比，同時增加表面溫度不僅是增加泡核沸騰蒸發，也加劇液膜流動。Amon等[12]以熱表面上單個水滴定性研究發現，微結構的Bond數是造成微結構硅表面蒸發噴霧冷卻傳熱增強的主要因素。計算公式如下：

式中：G為槽寬，m；γ為表面張力，N/m；g為重力系數，N/s2；ρ1為液相密度，kg/m3；ρ2為氣相密度，kg/m3。

當Bond數越小，毛細作用力越大，液滴薄膜破裂速度越快，換熱效果也越好。作者也指出在傳熱的方式中，主要有四個換熱區域，浸沒區、薄液膜區、部分干涸區和完全干涸區，如圖2。處在薄膜區和部分干涸區的微結構比平板有更好的傳熱性能和更大的液膜破裂熱流密度，這是由于毛細作用力，更多的水被保留在傳熱表面上，一旦出現液滴薄膜破裂，傳熱系數瞬時增加，但溫度穩定性將有所降低。

圖2 微肋結構硅表面的四個換熱區域[12]Fig.2 The four heat transfer areas on the silicon surface of the micro-rib structure[12]

Hou等[13]使用直肋和立方翅片作為熱表面，研究噴霧冷卻的換熱特性和機理，試驗發現，在單相區，直肋片的換熱性能最好；在兩相區，立方翅片換熱更好，單相區和多相區的臨界點隨著液體體積流量的增加而移動，同時液體體積流量增加，換熱系數也跟著增加。在單相區，作者發現無量綱數DM影響強化傳熱性能的主要因素，DM 平衡換熱面積和毛細作用力。毛細作用力主要受Bond影響，滿足下列的關系：

式中：B0是(1)式計算所得Bond數；A0為換熱表面積（m2）；A是微結構表面面積（m2）。

Hsieh等[14]試驗研究了波浪硅片結構熱表面對噴霧冷卻熱流密度的影響，發現由于表面的毛細力作用在薄膜上，導致熱流密度增加，而且強化表面結構越小，換熱性能越好。Horacek等[15]利用一個由96個方形加熱元件組成的透明微加熱器陣列進行噴霧冷卻的基本傳熱機理研究，發現壁面過熱度在超過 10 ℃時，覆蓋冷卻表面的液體膜區顯然出現干斑，結果顯示熱流密度與三相(氣-液-固相)接觸線長度直接相關，而不是濕潤面積。

陳東芳[16]利用高速攝像儀對具有矩形毛細微槽群結構的加熱表面進行噴霧冷卻的傳熱特性進行了可視化試驗研究，結果表明：噴霧冷卻與毛細微槽群結構結合可以實現高效率的相變換熱過程；隨著壁面溫度的增加，槽表面經歷了槽面完全被水浸沒區、薄液膜區、部分干涸區和完全干涸區四個不同階段，Hsieh等[11]同樣發現相同的現象，低溫區主要是界面蒸發傳熱方式，高溫區主要是沸騰換熱方式。同時，也發現減小槽間距尺寸，不僅增加了換熱表面面積，還能夠提供更多的潛在汽化核心數，而且會使毛細作用力的影響效果增強，產生的彎液面給核態沸騰創造更有利的條件。

Zhang等[17]以去離子水為冷卻劑進行試驗研究了噴霧冷卻特性，使用十二種微結構強化硅表面與光滑表面進行對比研究，發現大多數霧化的液滴尺寸在40～60 μm，在浸沒區，微結構表面的傳熱速率和光滑表面相似，但是在薄液膜區和部分干涸區，微結構表面的傳熱速率極大增加，同時發現強化表面結構尺寸對傳熱速率的影響和液滴直徑有關，具有較大特征尺寸的微結構化表面具有較小的面積增強因子和較差的傳熱速率。

Xie等[18]用R134a作為冷卻工質，在一個閉環系統中測試了包括微觀、宏觀和多尺度結構形狀平面和平滑表面的熱傳遞效率，發現微結構平面能夠提供更多的成核位置和毛細作用力從而強化核態沸騰，提高傳熱效率。李佳等[19]通過改變噴霧流量（壓力）、噴射高度和噴射斜傾角對于平板和方形翅塊進行了試驗研究，發現流量和噴射高度都存在最優值，而且噴射傾角太大會削弱噴霧冷卻性能，從側面也反映了噴射傾角越大，噴射的面積相應減少，液滴噴射到表面的沖刷作用減弱，減少液膜的排出，削弱換熱。對比了同樣條件下的平板表面，使用方形翅塊會顯著強化噴霧冷卻的性能，能夠在表面形成很薄的薄液膜，而薄液膜的蒸發是噴霧冷卻傳熱機制，對流換熱系數提高約30%左右。

通過改變熱表面結構，為噴霧冷卻的強化換熱提供新的思路和方法，微肋結構對噴霧冷卻換熱的促進作用是毫無爭議的，不僅僅增加換熱表面面積那么簡單，而且能夠提供更多的汽化核心數，增加毛細作用力，使液滴破裂得更快，提高了熱流密度，強化冷卻性能。同時也發現噴霧冷卻的換熱強化與微肋的排列方式、緊密程度和形狀有關，還受其他的噴霧參數的影響。因此，需要進行更多的相關試驗研究，找出一個最佳的匹配方式，以最大限度增加噴霧冷卻的換熱。

2 多孔微結構表面換熱特性分析

多孔微結構的表面不僅增加固體和流體之間的傳熱面積，增加孔隙率能夠增加多孔層的空隙空間，而且還可以減少多孔層內部的流動阻力，讓受熱產生的氣泡更加輕松地逸出，合適的微孔能為核態沸騰創造條件，有利于核態沸騰穩定、連續地進行。多孔介質的特征結構大多數由青銅、不銹鋼、銅或鋁（或其他金屬）泡沫的不規則結構的燒結顆粒組成。一些學者們對多孔微結構強化換熱特性和機理做了進一步研究。

Kim等[20]進行光滑和微孔涂層表面的扁平加熱器的蒸發噴霧冷卻對比試驗研究，微孔涂層是由微米顆粒組成，發現光滑熱表面和微米結構的微孔涂層表面都存在三種不同的流態，完全濕潤、蒸發濕潤和干涸，改變試驗研究條件，如冷卻劑流速、涂膜厚度和粒徑結果發現，熱表面濕潤程度是決定噴霧冷卻性能的重要因素，表面濕潤的程度取決于毛細管對氣孔吸收的液體量和蒸發的液體量之間的平衡關系，尤其在蒸發潤濕區，微孔涂層表面的濕潤性越好，冷卻能力也越高，結果發現多孔涂層表面的平均換熱系數比光滑表面高130%。You等[21]也進行相同的研究，發現微孔涂層表面能夠增加散熱，主要由于作用在相互連接的微腔上的毛細作用力。這一結論和Kim等[20]的發現幾乎相同，更有效地驗證了結果的準確性，表明微孔涂層上液滴的分布和蒸發量主要受毛細作用力的影響。

Hentsroni等[22]指出當多孔介質的孔徑減小時，諸如傳熱系數和 Colburn因子等熱力參數的值會隨著增加。孔徑也影響多孔介質上的壓降，孔徑降低到大約1/3時，從60 μm減小到20 μm，將使壓降幾乎增加一倍。Wang等[23]使用兩種不同涂層厚度、孔隙率的多孔表面進行噴霧冷卻換熱性能的測試，具體參數表1所示。

多孔—27表面上不規則顆粒分布均勻，對于多孔—42表面，它被一系列的顆粒簇覆蓋，呈現珊瑚形狀。試驗發現，隨著熱流密度的增加，多孔表面和參考平板表面溫差的差距有所擴大，作者認為這種差距是由于多孔表面發生密集的核態沸騰，具有空腔密集的多孔表面比參考平板表面提供更多的成核沸騰位置。如預期的那樣，多孔表面傳熱系數仍然優于參考平板表面，同時也對比了多孔—27表面和多孔—42表面傳熱系數，發現前者傳熱系數小于后者，原因是后者表面具有較高孔隙率，更緊密的連通孔隙，可能產生較更高的接觸線長度密度。楊強[24]對具有高溫燒結的多孔表面進行氨噴霧冷卻試驗研究，在流量為11.4 kg/h（0.0155 m3/(m2·s)），熱流密度為310 W/cm2的時候，得到了噴霧冷卻換熱系數為124 159 W/(m2·K)，相對于光滑表面增加了 90%；隨著燒結粒徑的減小，毛細作用力增強，汽化核心數的增加和毛細力的共同作用使得沸騰起始點提前，有效降低了沸騰的過熱度；隨著流量的增加，在過熱度相同條件下，多孔表面可以達到更高的熱流密度，當流量增加到 13.4 kg/h（0.0181 m3/(m2·s)）時，噴霧冷卻換熱系數最高達到147 503 W/(m2·K)。

表1 多孔表面的表面參數[23]Tab.1 Surface parameters of the porous surface[23]

多孔微結構是一種不同于微肋結構強化噴霧冷卻表面換熱的方式，多孔結構的強化換熱主要由孔隙率和孔徑決定，當孔隙率越大時，多孔結構能夠將更多的液滴吸入進來，擴展了表面結構，且由多孔結構造成的毛細作用力使更多的液滴保持在熱表面，使得液滴膜蒸干被延遲，引起二次核態沸騰，使薄液膜內產生新的小氣泡形成汽化核心，增強換熱。孔徑越小，表面的壓降增加，表面的過熱度降低，沸騰的起始點提前，粒徑的間隙減少，毛細作用力增大，多孔層產生的換熱熱阻減小，換熱效果也越好。總之，多孔微結構對噴霧冷卻換熱起到明顯的強化作用，但是由于多孔結構的復雜性和制造工藝的差異性，開孔微結構的能力受到有限滲透PVD和電化學工藝等的阻礙，存在多孔微結構的不均勻性和涂層厚度分布不平均、孔堵塞等一系列問題，迫切需要開發一種新穎、簡單的多孔結構的制作方法解決這些問題。

3 表面粗糙度對噴霧冷卻換熱影響

表面粗糙度是另一個對噴霧冷卻技術有重要影響的參數，由于表面粗糙度所造成的孔隙，是作為蒸汽生成和滯留的區域。且由于相變過程，這些氣孔會增加散熱，使表面溫度保持在較低的值。

Wang等[25]采用電化學腐蝕，在面積為 2.5 cm×1.2 cm光滑銅表面進行腐蝕，通過改變輸入電流值，分別為8.50，17.25和34.76 mA，得到了表面粗糙度為0.35，7.25和10.04 μm。輸入電流為8.50 mA，表面只是輕微腐蝕，只有少數的坑被觀察到，隨著電流越大，腐蝕越嚴重，表面的裂痕越大，表面粗糙度也就越大；研究結果表明，腐蝕程度對低熱流區噴霧冷卻影響較小，對高熱流區噴霧冷卻影響較大，在相同的熱流密度情況下，腐蝕程度越大，表面溫差也越小；同時也發現腐蝕程度和換熱是相互矛盾的，因為腐蝕能夠提供更大的表面積和汽化核數，增強換熱；反過來，強化換熱導致更小的溫差，減少表面的腐蝕過程。總之，腐蝕表面具有更好的散熱能力。

Pais等[26-27]陳述了在噴霧系統中表面粗糙度對沸騰和蒸發的影響，使用一種氣動霧化噴嘴用于產生霧化液滴，用水作為冷卻工質，研究了表面粗糙度為0.3，14和22 μm的相關性能，結果表明，在沸騰狀態下，表面粗糙度越小，給定熱流的表面溫度越低，給定溫差的熱流密度越大。然而，Ortiz等[28]研究的結果與Pais等[26-27]研究的趨勢相反，加熱器表面使用600格柵SiC研磨紙或0.25 mm多晶金剛石懸浮液進行粗糙化，結果表明，表面粗糙度越大，散熱量越多，因此臨界熱流密度（CHF）越高，最后，當體積流量增加時，粗糙表面和平滑表面的沸騰曲線之間的差異不太明顯。這個發現與大多學者的研究結論略有不同，筆者推測可能存在一個最佳的表面粗糙度或者是由于表面處理的方式不同造成的結果，也有可能跟選用噴嘴的類型相關，因此，表面粗糙度對噴霧冷卻的影響機理還需要進一步研究。

Bernardin等[29]研究了表面粗糙度對噴霧冷卻傾斜加熱固體表面的多個連續液滴的動態特性和傳熱現象的影響，試驗過程中表面粗糙度范圍變化為0.04～10 μm，利用高速攝像機對沖擊傾斜熱表面的液滴動力學進行了研究，發現表面粗糙度顯著影響淬火行為。表面粗糙度越高，噴霧冷卻過程中的淬火時間越短。隨著表面粗糙度的增加，固液滴接觸時間和液滴直徑增加，導致傾斜熱表面的淬火時間減少。同時，發現表面粗糙度對臨界熱流密度和萊頓弗羅斯特溫度幾乎沒有影響。Bernardin等[30]研究發現表面粗糙度為25 μm能在過渡和核沸騰的過程中增加氣泡成核密度，但是與臨界熱流密度相對應的表面溫度與表面粗糙度無關。Engel等[31]認為表面粗糙度促進液滴破裂，增強了液體固體接觸，從而增加了膜沸騰傳熱。

Amrei等[32]研究粗糙度對液滴表面接觸角度的影響，研究發現，表面粗糙度會導致液滴形狀從對稱管過渡到蛤殼或不對稱管，首次提出了一種包括纖維粗糙度對液滴構型的影響的相圖，即對稱管、蛤殼和不對稱管。Galvan等[33]用R134a作為冷卻工質，采用閉環噴霧冷卻裝置進行換熱測量。研究了體積流量，加熱器表面粗糙度值和噴霧液滴特性（通過改變噴嘴類型）對噴霧冷卻的性能影響，結果表明，隨體積流量的增加，噴霧冷卻沸騰曲線的性能更好(適用于相同熱流密度下的加熱器表面溫度較低情況)，與加熱器表面粗糙度和噴嘴的類型無關。但是，CHF的值取決于表面的粗糙度，對于粗糙的表面，它們隨體積流速的增加而增加；在光滑的表面上，CHF與體積流量無關。而且表面粗糙度還會導致核態沸騰機制沿著更寬的溫度區間擴展，使核態沸騰在較低的溫度下能夠開始。

整體上，表面粗糙度對噴霧冷卻的影響是積極的，能夠增強表面的傳熱。但由于表面粗糙度對噴霧冷卻特性的影響相關的試驗研究做得比較少，學者們研究的結論略有些差異，而且本身噴霧冷卻換熱機理比較復雜，影響的參數比較多，液滴的特性尚不清楚，如表面粗糙度對噴霧冷卻的表面液滴的擴散和接觸角度的影響。筆者推測這可能是粗糙表面產生的困難和背后的科學分析導致的。因此，需要對噴霧冷卻系統進行系統的研究，以便從物理的角度來加深對相關現象進一步的理解和認識，以探究整個噴霧冷卻的傳熱特性。

4 總結

噴霧冷卻是一種新型的冷卻技術，能夠解決很多工業設備的散熱問題。噴霧冷卻本身的換熱機理比較復雜，影響的因素比較多，大量學者都進行了相關的研究。本文基于國內外相關的研究成果，從微肋結構、多孔微結構和表面粗糙度三個角度綜述了微結構表面上噴霧冷卻的換熱特性及機理，得出以下結論及研究方向：

（1）將微結構表面應用于噴霧冷卻中普遍增加了換熱表面積，提供更多的汽化核心數，提高毛細作用力，強化核態沸騰，增加了傳熱系數，極大地提高噴霧冷卻的換熱性能；

（2）微結構存在會增加換熱表面溫度不均勻性和三相接觸線長度，能夠降低受熱面上的溫差，使沸騰的起始點提前；

（3）微結構表面存在四個換熱區域：水浸沒區、薄液膜區、部分干涸區和完全干涸區，處在薄膜區和部分干涸區的微肋結構比平板有更好的傳熱性能和更大的液膜破裂熱流密度；

（4）微結構表面能夠提高熱流密度，而且發現微結構尺寸越小，熱流密度越大，換熱能力越強；

（5）各種熱表面的強化換熱影響因素略有差異，微肋結構中噴霧冷卻的換熱強化與微肋的排列方式、緊密程度和形狀有關，多孔微結構主要受孔隙率和孔徑影響，表面粗糙度由制造工藝和大小決定，將這幾種表面組合起來也是未來研究的一個方向；

（6）研究熱表面結構對噴霧冷卻的影響時，發現不能單純地只研究強化表面結構因素，還要考慮其他的噴霧參數的影響，需要找出一個最佳的匹配方式和契合點，以最大限度增加噴霧冷卻的換熱能力，這是未來的研究方向。

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Research progress of spray cooling heat transfer experiment with microstructure surface

YIN Xiaoming, LIU Ni
(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Spray cooling is a new type of heat dissipation technology, which has the potential to greatly improve the heat dissipation of electronic components and become one of the most popular cooling methods in the field of electronic cooling. In view of the complexity of the heat transfer mechanism of spray cooling, and its heat transfer is affected by many factors, this paper focuses on the effect of thermal surface structure on spray cooling. The heat transfer characteristics and mechanism of the micro-rib structure, porous micro-structure and surface roughness are reviewed, the heat transfer effects of different surfaces are analyzed and contrasted, and an economical and effective method for enhanced heat transfer of spray cooling is provided. Study direction in future is pointed out.

spray cooling; heat dissipation; review; electronic components; surface structure; surface roughness

10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.01.003

TM201.4+2

A

1001-2028（2018）01-0013-06

2017-10-24

殷小明

劉妮（1974－），女，山東青島人，副教授，研究方向為微噴冷卻技術等；殷小明（1992－），男，湖北孝感人，研究生，研究方向為微噴冷卻技術等。

（編輯：陳渝生）