特斯拉閥協同毛細微柵欄結構熱沉?

熱管理博覽會

2023年7月18日 10:53

來源 | Nature Communications，傳熱傳質青委會

原文 | https://doi.org/10.1038/s41467-023-39289-5

背景介紹

微通道流動沸騰傳熱是一種較為理想的氣液兩相散熱技術，具有散熱效率高、均溫性好等獨特優勢，在100W/cm2以上量級高熱流密度功耗元器件冷卻散熱領域具有廣闊的應用前景。但是，微通道流動沸騰在實際應用中長期存在著兩相逆流不穩定性和流型混沌無序等瓶頸問題，嚴重影響其散熱能力和工作穩定性。因此，如何抑制兩相逆流不穩定性、形成定向有序的高效傳熱流型，已成為微通道流動沸騰傳熱強化的前沿熱點問題。

成果掠影

東南大學陳永平教授、李文明教授與香港理工王鉆開教授研究團隊受到“流體二極管”—特斯拉閥的啟發，原創性地開發了一種新型微通道流動沸騰散熱熱沉。該熱沉通道采用周期性特斯拉閥結構流道充分抑制氣液兩相逆流，同時配合側壁毛細微柵欄結構誘導形成穩定持久的側壁面薄液膜，實現了氣液兩相工質的定向有序流動和穩定高效的薄液膜蒸發傳熱，顯著提升了微通道流動沸騰的穩定性和傳熱性能。相較傳統光滑平直微通道熱沉，該型熱沉在總流量為0.36kg/h條件下的流動沸騰換熱系數和散熱熱流密度分別提高了6倍和5倍，可達175 kW/cm2K和830 W/cm2。同時，研究還探明了該型熱沉換熱性能的躍升現象，并發現通道出口蒸汽干度0.25是其沸騰換熱性能躍升的閾值。這項工作為開發更為高效穩定的微通道氣液兩相散熱冷卻技術提供了嶄新思路。研究成果以“Tesla valves and capillary structures-activated thermal regulator”為題發表于《Nature Communications》。

圖文導讀

圖1 特斯拉微通道與毛細微柵欄結構設計

如圖1所示，采用深反應離子刻蝕方法加工了特斯拉微通道協同毛細柵欄結構，與耐熱玻璃陽極鍵合形成熱沉。該熱沉的長度為10mm，每個通道包括18個周期性串聯的特斯拉單元結構。側壁加工了超親水性圓柱柵欄毛細結構，毛細壓力可達到19.2 kPa，顯著強化了液態工質的全域供應和通道壁面的局部再潤濕能力。

為了闡述特斯拉閥和側壁毛細柵欄結構的強化機理，研究團隊首先實驗測量了單相流動下正向、反向壓降和流動二極管特性（正向與反向壓降比值）。如圖2所示，單相流動二極管特性隨著雷諾數（Re）增加而增加。均勻分布在主通道內的特斯拉結構逐級放大了其對蒸汽回流的抑制作用，進而誘導工質定向有序地流動。

圖2 特斯拉微通道協同毛細微柵欄結構調節兩相流動

通過引入側壁毛細微柵欄結構實現了壁面的潤濕-再潤濕過程，誘導形成了穩定持久的側壁面薄液膜。結果表明，即使在極端沸騰條件下，超親水的微柵欄結構也能將微通道中不穩定和不連續的兩相流動轉變為穩定連續的環狀流流動，特別是側壁微柵欄產生的毛細驅動效應實現了壁面液體0.5m/s的高更新速度。

在揭示了特斯拉閥和壁面柵欄毛細結構在兩相傳輸中的重要作用之后，研究團隊繼續表征了該型熱沉在正向流動時候的換熱性能。從根本上說，高性能的對流沸騰傳熱需要高效的液體到蒸汽轉化。研究發現，當蒸汽質量干度χ<0.25時，如圖3（a和b）所示，壓降和壁溫都在~15秒的短時間內周期性波動。

圖3 高換熱性能熱沉的啟動條件

在熱沉中，周期性波動還伴隨著入口附近的蒸汽回流，且持續時間很久。此外，持續的蒸汽回流阻止了液體再進入，并導致壓降和壁溫出現放大的振幅。與此形成鮮明對比的是，當χ>0.25時，它們變得非常穩定，顯示出穩定的兩相流的典型特征，這是由于特斯拉閥的啟動而抑制兩相回流的結果，稱為“啟動”狀態。

此外，團隊還研究了該型熱沉在正向流動下的流動沸騰傳熱性能，探明了該型熱沉換熱性能的躍升現象，并發現通道出口蒸汽干度0.25是其沸騰換熱性能躍升的閾值（圖3d所示）。當新型熱沉為“關閉”狀態（χ＜0.25）時，壓降和壁溫在短時間內出現周期性波動，這是由于持續的蒸汽回流阻礙了液體進入，導致壓降和壁面溫度的波動幅值增大。當新型熱沉呈現“打開”狀態（χ>0.25）時，呈現典型的穩定兩相流特征，壁面溫度和壓降的振幅明顯減小。此時壁面過熱度下降，即使在高熱流密度下，壁面的過熱度也能保持相對低值。另外，流動沸騰的整體HTC曲線呈現出獨特的平方根形。

相較于傳統微通道熱沉難以控制壁溫，該新型熱沉首次實現了流動沸騰性能的可切換性，如圖4a所示。

圖4 特斯拉微通道協同毛細微柵欄結構強化沸騰傳熱性能

研究進一步發現該型熱沉可以根據沸騰條件切換工作狀態，實現換熱系數和臨界熱流密度的巨大提升。如圖4顯示，相較于傳統光滑平直微通道熱沉，該型熱沉在總流量為0.36 kg/h條件下的流動沸騰換熱系數和散熱熱流密度分別提高了6倍和5倍，可達175 kW/m2K和830 W/cm2。另外在總流量為0.18 kg/h時，出口蒸汽干度達到了0.8，表明了該型熱沉的高熱傳輸效率。需要注意的是該型熱沉換熱系數和臨界熱流密度的增強是在不犧牲兩相壓降情況下實現的。最后，圖5顯示了并行微通道流動沸騰換熱的基準圖，展示了新型熱沉的高效換熱性能。