池沸腾在电子芯片散热技术领域,比如两相浸没式冷却、重力热管、两相回路热虹吸等,具有重要的应用。池沸腾强化是提高相关散热装置性能和传热极限的关键环节。沸腾传热强化方法一般是改变加热表面几何结构和化学性质,与此不同,本文提出了一种在加热面上方设置导流结构来强化池沸腾的新方法。该方法主要是基于气液通道分离的思想,以加热面产生的沸腾气泡作为气泡泵的动力来源,通过设计合理的导流结构和尺寸,实现在导流管内形成上升的气柱和液塞,在导流管外形成回流液体对加热面进行射流冲击。本文建立了气液分离强化池沸腾的实验台,在不同的饱和温度下进行了光滑加热面的沸腾实验,结果表明:(1)引入导流管后能够形成气泡泵驱动的定向循环,即导流管内为上行的气柱和液塞,导流管外为回流液体。热流密度越高,定向循环越稳定,气泡泵的上升速度和回流液体的冲击速度更高;(2)回流液体对加热面的射流冲击能够加速气泡脱离和强化加热面的补液,因此导流管测试段的临界热流密度(CHF)和传热系数(HTC)显著提高;(3)因为喇叭口形状能收集更多的加热面气泡,所以喇叭口导流管比直导流管更容易形成稳定持续的定向循环,而且喇叭口导流管与玻璃外管之间的缝隙极为狭小,回流液体的射流冲击速度更快;(4)饱和温度较低时,气泡泵速度较高,导流管的强化效果更明显,饱和温度为50℃时,喇叭口导流管的CHF和最大HTC分别为109.0 W/cm~2和38.8 kW/m~2℃,分别是无导流管的4.1倍和2.8倍。在光滑表面实验的基础上,本文考察了液位和导流管长度对沸腾性能的影响,结果表明:(1)液位与直导流管长度相匹配时能够形成稳定的定向循环,液位越高,传热性能越好;(2)当饱和温度为50℃时,液位150 mm的CHF和最大HTC均为液位130 mm的1.3倍。本文的导流结构还可以结合强化表面使用,进一步提高沸腾传热性能。不同的饱和温度下的不同颗粒烧结面积的实验结果表明:(1)综合使用直导流管和烧结结构加热面时,传热性能优于单独引入直导流管或者单独引入烧结表面;(2)饱和温度70℃时,烧结区域直径越大,导流沸腾传热效果越好,烧结直径5 mm和烧结直径9 mm的加热面的CHF分别比光滑表面高15%和100%,而最大HTC分别是光滑表面的1.4倍和2.8倍;(3)饱和温度为50℃时,烧结直径9 mm的加热面存在沸腾曲线的反转,即热流密度升高4.5 W/cm~2过热度反而降低3.8℃。这是因为在反转前,回流液体射流冲击烧结区域外围,抑制该区域的沸腾,而在反转处升高热流密度后,烧结外围区域核态沸腾充分发展,导致壁面过热度降低。当控制冷却水温度一定时,本文系统属于不控压的闭口系统,即重力热管,其传热性能可由热阻表征,实验结果表明:(1)当冷却水温度一定,系统压力随着输入热量的增加而升高,喇叭口导流管较容易形成持续性定向循环,蒸发热阻、冷凝热阻一般较小,总体热阻最小;(2)直导流管对不凝性气体的敏感度较低,热阻比无导流管小,系统压力也较低。