走进天和核心舱的微两相液冷 将加速地面应用商业化

4月29日，中国航天科技集团在海南文昌用长征五号B遥二运载火箭成功将天宫号空间站天和核心舱送入预定轨道，标志着中国空间站在轨组装建造全面展开。

天宫号空间站在设计上，具有强大的空间科研能力，核心舱和两个实验舱内都配备了通用机柜，也因此吸引了全世界科研机构的目光。2020年6月，中国载人航天办公布了第一批国际合作项目，来自17个国家的9个项目成功入选。下面我们将详细介绍的高性能微两相冷却系统的空间应用（BARIDI SANA – High Performance Micro 2-Phase Cooling System for Space Applications）即是其中之一。

来源：天和核心舱官方宣传片

BARIDI SANA项目旨在利用中国空间站提供的优势，通过使用两相冷却系统替代常规的液体冷却系统，研究和测试能够用于空间应用的新一代冷却系统。气液、液液两相流广泛存在于空调制冷系统、航天生命保障系统、化工以及喷墨打印等领域。当管道大小降低到一定程度时，重力在微通道中不再起主导作用，表面张力以及惯性力将发挥重要优势，这样势必会使微尺度下的两相流产生一些不同寻常的现象。太空微重力环境为这项研究提供了极佳的试验条件。

项目使用全新的有机无毒冷却剂，由于该冷却系统设备的低能耗要求，在地面应用中生态将获益匪浅，可以有效减少地面冷却系统的碳排放量。

2019 年 6 月 12 日，在奥地利维也纳举行的第 62 届和平利用外空委员会大会期间， 由意大利和肯尼亚联合申请的BARIDI SANA高性能微两相冷却系统的空间应用被CSS接纳为第一轮合作入选项目。

意大利罗马萨皮恩扎大学（Sapienza University）的Fabio Santoni教授和肯尼亚马查科斯大学（Machakos University）可再生能源中心主任Duncan Boiyo博士将合作协调项目的研究团队，确保实验在天宫号空间站上的顺利开展。

中国空间站（CSS）两相系统实验柜的系统组成图（来源：《中国空间站科学实验资源手册》）

天和核心舱BARIDI SANA微两相冷却应用

BARIDI SANA高性能微两相冷却系统太空应用项目负责人之一法比奥·桑托尼教授（Prof. Fabio Santoni ）在接受媒体采访时介绍了该项目的基本原理，太空应用的挑战及其在地面应用中的前景。

基本原理：汽化潜热

微通道两相冷却系统基于一个基本事实，即当流体沸腾时温度保持恒定。例如，当水沸腾并被继续加热时，温度保持不变（100°），水转化为蒸汽，来自热量的能量仅用于改变相，即将大量的热量转移到水蒸汽潜热中。为了新一代冷却系统适应太空应用，实验采用了沸点约为27℃的低沸点特殊液体。

挑战：液体循环设备小型化

构建一种使液体循环的小型设备，并且该设备能够在微重力下有效地运行，是该项目的一个真正的技术挑战。在天宫号中国空间站上测试的系统包含了主动的液体循环，这将比原型系统中仅通过毛细管作用工作的系统更加高效，在散热方面更有效，并且能够可以承受不同的温度。采用主动循环后，系统的重量与占地面积得到减小。

地面应用：商业化加速

BARIDI SANA项目的地面应用的研究正在进行中，并优先满足高性能计算机的冷却要求。地面应用正处于实验的后期阶段，不久将可以商业化。在地面上，该系统的开发将简单很多，其中关键一点是地面因为存在重力，因此液体被吸引在底部，而蒸气分布在底部顶端，而在微重力作用下，失重会导致液体和气体相互混合。

微两相冷却技术在航空航天，轨道交通，高性能计算机，数据中心，大功率电力电子等领域半导体设备的热耗散中具有广泛的应用需求，其中新型冷却介质、微通道精密加工、高效泵浦系统、热流智能监控等领域蕴含丰富的产业机遇。

在纳米通道构建微两相冷却的可能性

研究人员预计，未来计算机芯片的平均热通量将达到2~4.5MW/m2，局部热点为12–45MW/m2，而在IGBT模块中，芯片级的热通量将达到6.5~50MW /m2。微通道中的流动沸腾是解决半导体设备高热通量问题最有前途的冷却方法之一，微通道两相散热技术凭借其尺寸小、传热温差小、单位面积换热效率高和很高的传热速率等突出优点，日益受到相关产业的关注。

微通道中的流动沸腾（图源：Mudawar Thermal Systems）

微通道散热的一种定义是水力直径在0.01~0.2mm的通道可称为微通道，当通道尺寸缩小到纳米尺度，纳米通道的独特性将使微两相冷却在介质输送上展示惊人的效果。

对于纳米通道的研究，法国和美国的研究团队已发现碳纳米管内部依赖于辐射的流动滑移可以使水分子在碳纳米管道内部进行无摩擦高速流动；英国曼彻斯特大学Andre Geim教授及合作者利用石墨烯的原子平整度，通过微加工技术制备具有原子精度且大小可调的纳米通道，发现水分子在纳米通道内与通道壁产生较强的相互作用，可以产生产生高达1000 bar的分离压，使水分子在纳米通道内的毛细传输速度最大可以达到1 m/s；他们又发现，当以具有原子级别高表面平整度的石墨烯或h-BN作为纳米通道的壁面时，气体分子在通道内部产生大量的镜面反射，极大提高分子在通道内部的传输速度，表现出明显的弹道传输机制。

近几年，上述研究成果在natural上陆续发表。我们认为随着对微通道或纳米通道流体传输/传热特性认识的加深，商业化的微两相冷却系统将获得更高的热传输能力。

航空电子中的微两相冷却

90年代，普渡大学机械工程学院开发了航空电子高效冷却装置-两相微通道模组Micro-channel Module C2（BTPFL-C2）。C2模块在紧凑的空间中了容纳两个电路板，电路板由流量分配板上下隔开。冷却剂穿过在分配板和设备表面壳体之间形成的平行狭窄微通道。利用微通道流体沸腾的优点，在使用介电冷却剂FC-72，0.051 kg / s（0.50 gpm）的温和流速，40.5°C过冷和仅为2.8 kPa（0.41 psi）压降的情况下，C2模块能耗散3000 W以上的功率。

Micro-channel Module C2（BTPFL-C2）两相微通道散热器结构图

来源：https://engineering.purdue.edu/mudawar/aerospace-thermal-management/

高性能计算中的两相冷却

当前下一代高性能计算（HPC）系统面临性能/功率效率壁垒的巨大挑战，随着大规模互联互通的实现，巨量数据算力要求HPC系统必须提供出色的计算能力，同时还要高效智能地管理冷却功耗使之降低运营成本。

基于制冷剂的两相冷却系统，是高性能计算的一个新兴且有希望的解决方案。一方面，两相流显著增加了散热量，将芯片保持在安全的温度下；另一方面，冷却液的介电特性将风险降到了最低。

例如，瑞士EPFL传热传质实验室（LTCM）参与的欧洲MANGO H2020项目，计划在框架目标内设计一个超紧凑的热虹吸管（高度最大为10cm），以冷却用于HPC计算的异构系统。在系统运行实际工作负载时，制造出来的设备将需要适应现有的体系结构并将其冷却至60W的功率。

LTCM开发的热虹吸管两相液冷系统原型及剖面示意图

热虹吸管的无源特性允许自动管理温度的微小变化，减少了泵浦抽水工作量，降低了能源损耗。此外，两相流冷却能让芯片保持更好的温度均匀性，同时自然消除热点。

来源：https://www.epfl.ch/labs/esl/research/thermal-aware/two-phase-cooling/

IGBT模组中的微两相冷却

最近三十年，IGBT的功率密度从一开始的35kW/cm2提高到预期中的250kW/cm 2，尤其是蓬勃发展的纯电动汽车以及快速轨道交通对高电压和高电流互连技术的迫切需求下，IGBT的总耗散热量将继续增加。

IGBT的功率密度的发展

IGBT模组微通道冷却技术大部分处于实验室验证阶段，商业化产品应用较为缺乏。目前，IGBT模块的冷却系统多采用水的单相换热结合常规尺度通道的水冷板， 而微细尺度内的流动沸腾换热是更为高效的相变换热方式， 因此基于微通道流动沸腾的冷却单元开发具有重要意义。

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