来源 | Chinese Journal of Chemical Engineering

链接 | https://doi.org/10.1016/j.cjche.2025.11.023

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背景介绍

现代电子器件（高功率激光、功率芯片、数据中心）功率密度和集成度持续提升，局部热负荷远超传统冷却技术能力，热管理成为制约系统性能的关键因素。微通道流动沸腾依托相变换热，换热效率高、系统集成性好，是高热通量冷却的优选方案；但封闭式微通道存在流阻大、易发生流动反转和振荡不稳定性的问题。开放式微通道具备换热能力强、压降低、流动稳定性好的优势，但针对其流动沸腾强化的研究仍相对有限，且单一表面强化手段易存在成核位点过多导致 CHF 下降的问题，因此提出多级协同强化策略具有重要研究价值。

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成果掠影

近日，西安交通大学魏进家团队开展了梯形开放式微通道散热器的实验研究，提出多级协同强化策略并制备出耦合激光加工微柱结构的梯形盖板微通道散热器（TOMC）；以 HFE-7100 为工质测试了 COM、TOM、TOMC 三种结构在不同过冷度和质量通量下的流动沸腾特性，发现TOMC 的临界热流密度（CHF）提升 35.9%−170.6%，壁温降低17.5 K，平均换热系数（HTC）提升66.1%−122.0%，其激光加工微柱提供了有效成核位点、梯形盖板加快了气泡脱离与相分离，实现了更广热通量范围的I 型分层流维持，且 TOMC 的性能系数（COP）超20000，在近 300 W/cm² 高热通量下 COP 仍超 10000，为电子器件高效热管理提供了新思路。研究成果以“Microchannel Cooling for Performance Enhancement of GaN-on-Si HEMT With a Low Rj-a of 13.5 K/W” 为题，发表于《Chinese Journal of Chemical Engineering》期刊。

03

图文导读

图1.开放微通道内流动沸腾实验系统。

图2.开放微通道试验段示意图

图3.光滑和激光处理的微通道的表面结构。

图4.在G = 679.5 kg/m² ·s  309和ΔTsub = 40 K，（a）Qin = 45 W，（b）Qin = 80 W，（c）Qin = 130 W，（d）Qin = 180 W时，开放微通道内流型演变的特性。

图5. G = 314 679.5 kg/m² ·s，ΔTsub = 40 K，Qin = 90 W条件下不同微通道热沉内的流态比较。

图6.不同开口微通道对沸腾换热性能的影响。

图7.过冷度对三种开放微通道CHF的影响。

图8.在不同质量通量和过冷度436度下不同开放微通道的平均HTC。

图9. G=679.5 kg/m² ·s，ΔTsub=20 K时平均HTC随x的变化。

图10.梯形开口微通道内流动沸腾传热的多级协同强化机理。

图11.两相压降随操作条件的变化而变化。

图12.在G = 679.5 kg/m² ·s时，PEC随壁面压力的变化。

图13. TOMC散热器中COP指标与文献的比较。