随着电子技术迅猛的发展,设备微型化是科技发展的趋势。芯片设备的高密度集成伴随着功率密度大幅的增大,带来设备发热量的集中。过高的温度会导致芯片工作稳定性下降和使用寿命缩短,因此微电子冷却成为工业生产和科学研究的热点问题。伴随着芯片密集度不断增长,设备发热量还在不断增大,目前电子冷却技术仍处于不断发展和改进阶段。在微电子密集封装的局限空间下,有限的尺寸内提升换热器散热性能,并能满足发热设备的散热需求是电子冷却研究的首要任务。影响散热设备性能的主要因素有散热设备的结构、设备及冷却工质的热物性和设备内冷却流体的流型。本论文针对影响电子冷却设备的主要因素,以散热设备结构优化为出发点,综合分析冷却流体物性和流体流型的影响,从直接和间接两方面,对微尺度换热开展研究。微通道热沉已广泛应用于高密度组装的电子设备冷却技术。首先本文对微电子冷却的直接散热设备微通道热沉进行研究。首次对基于纳米流体为冷却工质的微通道热沉结构进行优化,引入简化的共轭梯度法,对纳米流体冷却微通道的多个不同几何变量同时进行优化以达到热沉最佳散热性能。纳米流体作为替换工质能有效提升微通道热沉性能,在纳米流体冷却的基础上对热沉几何结构进行优化,在有限的空间内最大程度的提升热沉换热能力,为微电子设备提供更好的工作环境。研究表明通过结构优化,纳米流体冷却微通道热沉性能有了显著提升,区别于单一变量优化,多变量优化更能接近全局最优值,最大化热沉散热性能。对比发现纳米流体冷却微通道热沉的最佳结构与水冷热沉最佳结构有所区别,对不同冷却流体采用同种结构不能发挥出其最大散热性能。针对实际生产中不同的操作条件,进一步对不同约束条件下微通道热沉最佳结构进行了研究。分别对固定泵功、固定流道入口流率和固定流道进出口压差进行了热沉结构最优化分析。在不同约束条件下,也分别得到了不同的最佳结构。在固定入口体积流率下,强化纳米流体冷却微通道热沉散热性能推荐使用更多的流道个数和更小的流道占比;而在固定泵功和流动压降时,更少的流道个数和更大的β会增强纳米流体微通道热沉的散热性能。纳米流体冷却微通道热沉换热性能强化的原因要归于最佳结构下增大了入口流速和纳米流体的有效导热系数,两方面因素同时强化了纳米流体和热沉壁面的对流换热。当芯片设备发热量增加、散热需求增大或要求更低的工作温度时,相变传热因其更大的吸热能力成为电子冷却的另一重要方法。相变电子冷却研究主要关注于如何将热量从发热电子元件中排出,但很少有关注重点在如何将热量从两相冷却系统中排出。造成这种研究趋势的原因是普遍认为商业化的冷凝器能解决相变冷却系统中的热量排出问题。而商用换热器在越来越小的尺寸限制下,无法进一步提升其换热性能,将冷凝器中工质热量有效排出能大幅提升整个冷却系统散热能力。针对以上问题,本文在微冷凝器提出了创新型结构改进,对微尺度下表面张力作用影响变强的特点,在微冷凝器中加入微肋阵列,利用表面张力作用对两相流进行相分离,减小影响冷凝的液膜厚度,达到强化冷凝效果。利用VOF方法,构建相分离冷凝微通道的二维模型,对影响冷凝的因素进行深入分析。研究表明微通道内气液两相经过分离后,作为影响冷凝传热的主要因素,气泡与壁面之间存在的液膜厚度显著减小,相分离后达到之前的1/20-1/11,从而有效强化微通道冷凝换热。极小含气率下同样有分离效果,需要相分离距离更长。而极大含气率下,大气泡产生的压力超过微肋间空隙形成的毛细压力时,会导致相分离失败。缩小微肋间空隙可以有效提升毛细压上限。进一步构建相分离冷凝微通道三维模型,深入对气泡冷凝速率进行了理论分析,得出影响气泡冷凝换热的两个重要因素冷凝投影比表面积和液膜平均厚度。相分离前后,气泡周围液膜厚度大幅减小,达到相分离之前液膜厚度的1/4左右。冷凝投影比表面积增大了约2倍。综合两方面因素,经过加入微肋的相分离后,不同工况下气泡冷凝速率提升了约7-11倍。在相分离结构强化冷凝的基础上,对不同的微肋排列结构的冷凝微通道传热性能进行研究。不同微肋布置结构下均能到达气液分离的效果,分离效果有所不同。微肋两侧流道距离较小的,分离最快,分离距离最短,适用于含气率高的两相流,相分离微肋两侧产生更高的压差,能更快的有效分离气液;而两侧流道距离较大的微肋布置结构更适用于含气率相对较低的两相流,既能有效完成相分离,又能不额外过多增大流动中的压降。本论文研究成果,拓展了微尺度下流动和传热特性的理论认识,为微尺度换热设备的结构设计和运行提供了理论基础,对改善电子冷却设备性能起到了指导作用。