随着电子元器件集成度的不断提高，诸如计算机芯片、二极管阵列等高功率密度器件的热管理已经成为制约其发展的一项技术瓶颈。微通道热沉冷却器作为一种有效的散热手段，受到了国内外微冷却领域内研究者的密切关注。由于作用于微通道热沉上热载荷的非均匀性影响，使微通道热沉的散热能力下降。因此，开展非均匀性热载荷下微通道热沉冷却器的传热过程研究对提高微冷却器性能具有重要意义。 本文开展了微通道冷却器理论研究，建立了相应的研究方法并与国外实验数据进行了对比，验证了该方法的正确性。通过研究传统微通道热沉在均匀性热载荷与非均匀性热载荷下热表面的温度分布，分析了该型热沉的不足之处，在此基础上提出了变宽度微通道热沉的方案。应用计算流体软件Fluent建立了单列通道的三维数值模型，计算了其散热值。分别建立了多列等宽度微通道与变宽度微通道热沉的三维数值模型。计算了处于均匀热载荷与非均匀热载荷下，在不同流速下等宽度微通道热沉与变宽度微通道热沉的温度分布以及压力分布。研究表明，变宽度微通道热沉在有效降低加热表面最高温度的同时，不会大幅度提高通道两端的压力降。 在上述研究结果的基础上，本论文进一步提出了一种包含相变传热与微通道流动传热的复合传热微冷却器的设计方案，并对该冷却器工作过程中的两个传热环节分别进行了理论与仿真计算。