强制空气对流冷却的方法已经难以满足微电子产品散热的要求。面向小空间内高热流密度散热需要,本文以强化沸腾表面微结构为研究重点,设计并制造一种微型两相闭式热虹吸环路系统(TCLT)。该TCLT由蒸发器、冷凝器、过冷器以及连接管组成。具有热阻小、可传递高热流密度、可灵活布置传热管道的优点。为得到适用于TCLT的关键部件蒸发器的强化沸腾结构,设计了基体连接的3种表面微结构,分别为微柱阵列结构(结构A)、柱间填充结构(结构B)、柱顶覆盖结构(结构C)。同时对这3种表面微结构进行了传热机理分析。结构A是结构B与结构C的基础,为得到结构A,研究电火花线切割(WEDM)加工微柱阵列的机理,制造出了合乎要求的结构A。随后结合了WEDM和烧结两种方法,制造出了结构B与结构C。为验证强化沸腾的效果,进行了沸腾实验。采用了沸腾换热效果最好的柱间填充铜粉结构B,作为TCLT的蒸发器的强化沸腾结构。另外,为研究微槽道结构(结构M)与微柱阵列结构(结构A)的强化冷凝效果,进行了冷凝效果对比实验,结果表明结构A的冷凝效果优于结构M,所以采用了微柱阵列结构作为冷凝器的强化冷凝结构。最后对TCLT进行了传热性能实验研究,实验结果表明TCLT运行可靠、传热性能优异,传热性能指标优于同类研究报道。 第一章综述了微电子领域各种两相传热装置的研究与应用现状,归纳出地面环境下两相热虹吸环路(TCLT)比其他传热装置的传热性能优越之处。提出了本文的研究目标、工作重点和创新点,对研究工作做了规划。研究的目标是制造一个用于微电子散热的微型TCLT。研究重点是蒸发器强化沸腾结构的设计与制造。 第二章研究了TCLT的基本理论,并进行了TCLT结构设计。利用相关的传热理论,设计了蒸发器、冷凝器、过冷器。分析了蒸发器工作原理和特点,将底座与强化沸腾结构设计为一体,并将蒸发器与储液器设计为一体。冷凝器的设计中,使用竖直壁上的微柱阵列结构作为强化冷凝方法。为尽量降低系统运行温度,设计了一个安装在液体回流管中的过冷器,过冷器由铜管和16个翅片组成。 第三章研究了3种强化沸腾结构的传热机理,并进行了这3种结构的设计。这3种强化沸腾结构有着不同的设计目的：结构A为具有粗糙表面的微柱阵列表面,希望得到更多的汽化核心和有很大的扩展表面；结构B是希望得到扩展表面同时结合烧结多孔表面的优点；结构C是将蒸汽通道与液体流道分隔开,希望得到较高的临界热流密度(CHF),或者应用在需要将蒸汽和液体分开某些场合。对3种结构的理论分析表明：①结构A具有极大的扩展表面,并且因为竖直的壁间形成了微通道,将影响气泡的成核、生长。在高的热流密度下,微柱的传热性能不同于经典对流换热的肋,因此可以做得更长；②结构B结合了多孔烧结表面与扩展表面的优点,实际上成为一种两层具有不同通道直径的复合多孔金属,底层是细小通道,上部为较大通道,因而使沸腾换热性能更好；③结构C利用多孔金属分隔蒸汽与液体流道,阻止蒸汽形成气膜覆盖加热面,因此保持液体与加热面有更多地接触,从而增加CHF。 第四章研究了3种强化沸腾结构的加工机理。结构A是其他两种结构的基础,因此重点研究了采用WEDM方法制造结构A。对WEDM进行了理论与实验研究,利用控制各种加工参数与加工条件,对加工过程的表面粗糙度、加工精度和加工速度进行控制,从而得到了合乎要求的结构A。经过理论与实验研究,设计合适的烧结工艺,在结构A的微柱阵列上烧结铜粉,成功地制造出了结构B与结构C两种结构。 第五章对各种强化传热结构以及TCLT进行了实验研究。分为三个部分：强化沸腾结构的沸腾性能实验研究；强化冷凝结构的冷凝实验研究；TCLT的运行特性与传热性能实验研究。①为了选择合适的强化沸腾结构用于TCLT。进行了强化沸腾的实验研究,实验测试多种微结构表面的过热度与CHF。实验结果表明：微柱阵列表面经烧结铜粉后,在烧结适量铜粉的情况下,对比光滑表面,壁面过热度降低,并且能提高CHF,结合了扩展表面与多孔金属表面的优点,选择了其中B-3作为TCLT的强化沸腾结构。②为了强化TCLT中的冷凝过程,用WEDM得到的微结构表面进行强化冷凝实验,实验结果显示微柱阵列比微通道结构的冷凝效果好。因此本文采用微柱阵列作为TCLT的冷凝结构。③为研究TCLT的最佳运行状态,对已制造的TCLT进行性能实测,寻求最佳运行状态。主要研究不同热负荷下的蒸发器和冷凝器间的温度及热阻。对不同工质、不同工质灌注量和有无过冷器情况下的CTLTS进行了实验研究,实验结果表明在采用适当的工质和工质灌注量时,TCLT运行可靠、传热性能优异,传热性能指标优于同类研究的报道。可以直接用于CPU或者微电子器件的散热。