微针翅片结构对去离子水两相流动传热特性的影响机制研究

为解决高功率密度电子器件散热难题，研究人员通过实验分析了铜基微针翅片(300×350 μm)在不同排列方式(直线型/交错型)和工况参数(G=1000-1200 kg/m2s，ΔTsub=10-20°C)下对去离子水两相流动传热的影响。结果表明微针翅片可使传热系数(HTC)平均提升47%，其中交错排列通过缩短气泡脱离时间(最高95%)显著改善热性能，为微型化散热器设计提供了重要依据。

　　

随着电子器件功率密度持续攀升，传统散热技术已难以满足微尺度高热流密度散热需求。特别是当芯片表面热流密度突破100 W/cm²时，常规单相冷却方式面临巨大挑战。两相沸腾换热因其能利用工质相变潜热而备受关注，但如何在有限空间内实现高效稳定的相变换热仍是行业痛点。微针翅片结构通过扩展表面积和增强流体扰动被认为是突破性解决方案，然而关于其几何排列方式对高质流率(G>800 kg/m²s)下两相流动传热的影响机制仍缺乏系统研究。

针对这一科学问题，圣卡洛斯工程学院（University of S?o Paulo）的研究团队设计开发了具有不同排列方式的铜基微针翅片散热器（宽度300 μm，高度350 μm，间距250 μm），通过精密铣削工艺制备了直线型和交错型两种排列的微结构表面。研究采用可视化实验方法，在宽范围热流密度（30-100 kW/m²）和不同入口过冷度（10/20°C）条件下，系统分析了微结构对两相流动传热特性的影响规律。相关成果发表在《Results in Engineering》上，为高功率电子设备的热管理提供了重要设计依据。

研究主要采用高精度温度场测量（K型热电偶±0.2°C）、高速摄像（1000 fps）可视化、压力降监测（Omega压力传感器±0.25% FS）等实验方法，通过线性外推法计算壁面温度，并利用Python Uncertainties包进行误差分析。测试工质为去离子水，通过Coriolis质量流量计（±0.2%）精确控制质流率。

【微针翅片对流动传热的影响】
通过对比直线型、交错型与光滑表面的沸腾曲线发现，微针翅片能显著提升传热性能。在G=1200 kg/m²s时，直线型排列使HTC平均提高60%，而交错型在ΔT_sub=20°C时提升35%。高速摄像显示微针翅片能将气泡脱离时间缩短78-95%，其中交错排列因无流动阻碍，气泡脱离效率最高。

【质流率与过冷度效应】
研究证实提高质流率可增强对流换热效果，但过冷度的影响呈现非线性特征。当ΔT_sub从10°C增至20°C时，核态沸腾起始点(ONB)所需热流密度增加约12°C。值得注意的是，在较高过冷度下，直线型排列表现出更优的传热性能，这与其能维持更稳定的薄液膜蒸发有关。

【流动不稳定性分析】
可视化研究揭示了光滑表面在较高热流时会出现反向流动现象，而微针翅片结构能有效抑制该现象。特别是交错排列通过促进气泡快速脱离，避免了蒸汽在出口区域积聚，从而维持了流动稳定性。

该研究创新性地证明：微针翅片结构通过三重机制协同强化传热——扩展传热面积、增加汽化核心密度、促进气泡动态脱离。其中直线型排列在热工性能与压降之间取得更好平衡，而交错型在气泡脱离效率方面表现突出。这些发现为面向5G芯片、高功率LED等应用场景的微型散热器设计提供了重要理论支撑，特别是提出的几何优化准则（高度/直径比≈1.17，间距/直径比≈0.83）具有直接工程指导价值。未来研究可进一步探索微针翅片与其他强化技术（如纳米涂层、亲疏水图案化）的协同效应，以应对千瓦级热流密度的散热挑战。