《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Two-phase closed thermosyphon system with microstructured boiling surfaces: Steady-state and transient regimes analysis
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本文对一种采用HFE-7100介电工质、配备新型激光加工微结构蒸发器表面及可视化绝热段的两相闭式热虹吸管（TPCT，内径32 mm，总长125 mm）进行了实验评估。通过完整的重新设计，实现了对七种表面几何结构的可靠测试：光滑表面、阳极氧化表面，以及具有微孔、
本文对一种采用HFE-7100介电工质、配备新型激光加工微结构蒸发器表面及可视化绝热段的两相闭式热虹吸管（TPCT，内径32 mm，总长125 mm）进行了实验评估。通过完整的重新设计，实现了对七种表面几何结构的可靠测试：光滑表面、阳极氧化表面，以及具有微孔、微波和微柱结构且特征深度分别为100 μm和300 μm、中心间距分别约为120 μm和370 μm的微结构表面。在优化充液率30%条件下，稳态测试耗散功率最高达110 W，结果显示当功率高于30 W时，冷凝器热阻恒定约为0.11 K/W，且与蒸发器表面类型无关；在110 W时最大传热系数（HTC）达到2.54 W/cm2·K，约为光滑表面的3.5倍。由于TPCT可视化段存在机械脆性问题，所有表面均未达到临界沸腾条件。性能最优的表面为W100，紧随其后的是H100表面。此外，研究观察到冷凝器性能会影响气泡动力学和装置的沸腾热阻。瞬态100 W阶跃测试表明，热量施加的突然性会对达到稳态后的传热系数产生正面或负面影响；H100表面相比稳态测试表现出40%的传热系数提升。上述发现证明微结构能够显著增强TPCT在稳态和动态条件下的冷却性能，为电子元件高热量通量热管理提供了一种可行的替代方案。
一、研究背景与意义
随着人工智能（AI）应用和复杂科学模拟的快速发展，高性能半导体器件的需求急剧上升。数据中心（DC）作为支撑这些计算需求的基础设施，已占全球能源消耗的显著份额，其中冷却系统约占其总能耗的30%。将电子元件温度维持在最高结温（通常约100 °C）以下，对于避免性能退化并确保硬件可靠性至关重要。然而，传统的空气冷却和液体冷却方案正逐渐逼近其运行极限，难以应对现代处理器产生的极高热量通量。被动式两相冷却系统，如两相闭式热虹吸管（TPCT），凭借其低热阻、运行简单和结构紧凑等优势，已成为高效的替代方案。TPCT利用相变和重力辅助液体回流，其传热系数（HTC）比单相系统高出一个数量级。
通过工程化设计蒸发器表面可显著提升TPCT的热性能。表面强化手段——如激光微结构加工或化学处理——能够促进核态沸腾更早起始（ONB）、提高临界热流密度（CHF）并增强气泡动力学，从而改善传热速率。介电工质如HFE-7100因其电绝缘性和化学稳定性而成为电子冷却的理想工质，但其低表面张力给气泡成核带来挑战，且其热物性相比水等常规工质存在劣势。应用微结构沸腾表面已被证明是克服这些限制的有效策略。
此前Moura和Abreu开发了配备微结构蒸发器表面的热虹吸管样机，但存在工质泄漏、结构脆性和冷凝器管路逆流等问题，影响了实验可靠性。此外，这些工作仅涉及微腔几何结构，不同特征几何形状和尺寸的表现仍有待系统研究。
二、研究内容与方法
本研究针对上述问题，对一种配备透明绝热段以进行流动可视化、并改进蒸发器表面集成的紧凑型TPCT进行了重新设计。新设计采用EPDM O型圈结合高温硅胶密封，有效消除泄漏，确保在高达110 W功率下可靠运行。研究使用HFE-7100作为工质，在稳态和瞬态热条件下系统评估了七种表面几何结构：光滑表面、阳极氧化表面，以及具有微孔、微波和微柱结构且特征深度为100 μm和300 μm的激光加工微结构表面。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：激光加工技术制造有序微结构表面（微孔、方形微柱和微波状结构）；阳极氧化处理制备纳米级多孔表面以增强表面积；高速摄像技术（Phantom V4.2，最高4000 fps）结合透明绝热段进行沸腾现象可视化；基于MOSFET晶体管（STMicro IRFP450）的CPU热源模拟器配合运算放大器反馈控制系统实现精确功率控制；K型热电偶和压力传感器配合双数据采集系统（Data Translation和National Instruments）进行温度和压力测量；以及基于一维串联热阻模型的理论表面温度估算方法用于计算沸腾传热系数。
三、研究结果
3.1 稳态热性能
稳态测试在优化充液率30%条件下进行，功率最高达110 W。结果显示，当功率高于30 W时，冷凝器热阻恒定约为0.11 K/W，与蒸发器表面类型无关。在110 W时获得最大传热系数（HTC）2.54 W/cm2·K，约为光滑表面的3.5倍。该性能显著优于此前研究报道的峰值HTC（0.36 W/cm2·K和0.56 W/cm2·K），确立了本研究在电子元件被动冷却解决方案中的领先地位。由于可视化段的机械脆性限制，所有表面均未达到临界沸腾条件。性能最优的表面为W100，紧随其后的是H100表面。
3.2 表面结构影响
显微镜成像显示，微孔和方形微柱结构存在部分壁面破损和形状不一致现象，尤其在较小特征尺寸情况下更为明显。微波结构在波峰和波谷处呈现增厚线条，300 μm几何结构中更为显著。接触角测量表明，所有微结构表面均呈现超亲水性，水和HFE-7100的接触角均接近零。阳极氧化表面通过硫酸工艺处理50分钟，产生纳米级多孔结构，表面粗糙度达467.75 nm，远高于裸金属区的24.88 nm，水接触角从89.1°降至50.3°，表明润湿性显著改善。
3.3 冷凝器与气泡动力学耦合
研究发现冷凝器性能会影响气泡动力学和装置的沸腾热阻。这表明蒸发器和冷凝器之间存在耦合关系，优化热虹吸管性能需要同时考虑蒸发和冷凝两个过程。
3.4 瞬态响应特性
瞬态100 W阶跃测试表明，热量施加的突然性会对达到稳态后的传热系数产生正面或负面影响。值得注意的是，H100表面在瞬态测试中相比稳态测试表现出40%的传热系数提升。这一发现揭示了瞬态热负荷条件对微结构表面沸腾传热性能的显著影响，对实际电子元件运行工况具有重要参考价值。
四、讨论与结论
研究结果表明，微结构表面能够显著增强TPCT在稳态和动态条件下的冷却性能。激光微加工表面通过促进核态沸腾起始、增强气泡动力学和扩大有效传热面积，有效克服了HFE-7100低表面张力带来的沸腾成核困难。W100和H100表面表现最佳，表明较小特征尺寸（100 μm）更有利于传热强化。瞬态测试中观察到的HTC变化说明，实际应用中热负荷的突变特性可能带来额外的性能增益或损失，这一因素应在热管理设计中予以考虑。
本研究成功实现了无泄漏、可靠的TPCT设计，能够在高达110 W功率下稳定运行，最大HTC达2.54 W/cm2·K，较光滑表面提升3.5倍。该被动式冷却方案无需外部泵，无运动机械部件，消除了常见故障点，免维护运行且具有增强的长期可靠性，同时无噪声和振动，适合敏感电子环境。这些发现为高热量通量电子元件的热管理提供了一种高性能的被动冷却替代方案，对数据中心和AI计算基础设施的能效提升具有重要意义。论文发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》。
