[科普中國]-微尺度換熱器

簡介

微尺度換熱器是一種在新技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用前景的前沿性新型超緊湊換熱器2。自從硅集成電路問世以來，電路的集成度增加了幾個量級。相應(yīng)地，每個芯片產(chǎn)生的熱量還將大幅度增加，這給微電子器件的熱控制提出了新的挑戰(zhàn)。微尺度換熱器就是在這種背景下發(fā)展起來的一種新的冷卻技術(shù)。

微尺度換熱器研究進(jìn)展
近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對微尺度流動傳熱進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與模擬研究3。Adham 42013年，Ahmed 52013年，Gnielinski62013年，Yang C.Y 72012年，戴傳山82011年，朱建軍92011年，王秋香102010年，
Abraham 112009年，Duan Z. P 2010年，Dalkilic A.S2010年，Hooman K.2009年，王如竹2009年等眾多學(xué)者用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了45μm-3 mm微通道為微流動傳熱現(xiàn)象。研究工質(zhì)涉及去離子水，液氮，甲醇，R12, R134a等，主要研究了矩形、梯形、三角形截面微槽道、窄條縫、深溝窄條縫、硅基并行多條縫、銅基微通道、不銹鋼管、微細(xì)石英管、毛細(xì)銅管等微截面形狀的流動與傳熱特性，影響因素也由基本的Re, Pr等擴(kuò)展到表面粗糙度、幾何參數(shù)、表面材料、軸向?qū)帷⑿叫院纳?、入口段長度、表面張力、速度滑移、溫度跳躍等。
Adham42013年對微通道散熱器內(nèi)傳熱與流動特性作了綜述報(bào)道。微通道換熱器研究中(10-1500 }m當(dāng)量直徑)以矩形截面微通道最為常見，其次是梯形截面，三角形截面等，研究微細(xì)圓管換熱器的并不多見。內(nèi)部循環(huán)工質(zhì)涉及去離子，空氣，甲醇，制冷劑,氨以及納米流體等。研究方法包括實(shí)驗(yàn)法，數(shù)值計(jì)算，分析求解法等。微通道的材質(zhì)己從以前常用的銅，鋁，硅等發(fā)展到不銹鋼，有機(jī)玻璃，石墨等。

戴傳山8 2011年通過實(shí)驗(yàn)研究了微細(xì)管管殼式換熱器的流動與傳熱性能。提出了換熱特性的努塞爾數(shù)準(zhǔn)則式與流動阻力系數(shù)的準(zhǔn)則式，分析了微細(xì)管管殼式換熱器的傳熱流動綜合性能，并與傳統(tǒng)的管殼換熱器進(jìn)行了分析對比。結(jié)果表明:微細(xì)管管殼式換熱器傳熱流動綜合傳熱性能是傳統(tǒng)管殼式換熱器的2到5倍，且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。
Ahmed 52013年用3D Fluent數(shù)值模擬研究了石墨，鋁，硅三種材質(zhì)的微細(xì)矩形通道散熱器(截面56X320 }m)的換熱情況。通過對管壁導(dǎo)熱和管內(nèi)對流換熱的研究，結(jié)果表明石墨是換熱效率較高的材質(zhì)。當(dāng)量直徑小于1 mm的換熱器在微化學(xué)反應(yīng)器里有很多應(yīng)用。

傳熱過程中剪切速度對傳熱特性的影響進(jìn)行了探索。Sun計(jì)算了高剪切率下納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其有效導(dǎo)熱系數(shù)隨剪切率的增加而線性增加。白敏麗等也應(yīng)用分子動力學(xué)方法對納米流體在不同剪切素下的納米尺度Couette流進(jìn)行了模擬統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)納米顆粒存在旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動，造成速度分布成非線性的，加強(qiáng)了湍流效果。

微尺度換熱器產(chǎn)生的背景
微尺度換熱器是一種在高新技術(shù)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用前景的前沿性新型超緊湊換熱器。文獻(xiàn)中通常把面積體積比大于5000 m2/m3的換熱器稱作‘微尺度換熱器”。而在過去，由于受傳統(tǒng)加工方法的限制，緊湊型換熱器的面積體積比雖大于700 m2/m3，但遠(yuǎn)小于5000 m2/m33。

自從硅集成電路(IC)問世以來，電路的集成度增加了幾個量級。隨著運(yùn)算速度的進(jìn)一步提高，電路集成度將繼續(xù)提高。相應(yīng)地，每個芯片產(chǎn)生的熱量還將大幅度增加，這給微電子器件的熱控制提出了新的挑戰(zhàn)。微尺度換熱器就是在這種背景下發(fā)展起來的一種新的冷卻技術(shù)?！拔⑿筒鄣郎崞鳌钡母拍钍紫扔蒚uckerman和Pease于1981年提出，它常被用作冷板。用于兩種流體進(jìn)行熱交換的微尺度換熱器首先由Swift Migliori和Wheatley于1985年研制出來。微制造技術(shù)的最新成就使人們能夠制造出由水力直徑為10-103μm的微小槽道組成的微尺度換熱器。Cross和Ramshaw12研制了一個槽寬400拼 m、深度為300}m的印刷線路換熱器，它的單位體積換熱系數(shù)為7 MW/(m3k)。 Friedrich和Bang13研制了一個由梯形槽道組成的微型換熱器(槽道的底部寬100μm、上部寬260μm、深80μm、槽道間距260N,m)。該換熱器由40片銅箔組成、每片銅箔上有36個微型槽道。研究表明，在非常保守的設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件下，其體積換熱系數(shù)達(dá)到45 MW/(m3k)。

微尺度換熱器或微型槽道散熱器的流動槽道一般是在很薄的硅片、金屬或其它合適的材料薄片上加工而成的。這些薄片可以單獨(dú)使用，形成平板式換熱器12,5];或者焊在一起，形成順流、逆流或交叉流換熱器。微型槽道和/或翅片的加工已有多種方法:光刻、定向蝕刻、微型工具的精確切削等技術(shù)。

微尺度換熱器的特點(diǎn)微尺度換熱器的特點(diǎn)在于單位體積內(nèi)的傳熱表面積很大，表現(xiàn)出熱阻低、質(zhì)量輕、體積小和工作流體的流量小等等。它們的主要缺點(diǎn)是對結(jié)垢非常敏感，因此必須使用純凈的工作流體。微尺度換熱器具有很廣泛的應(yīng)用潛力，例如電子芯片的冷卻、飛機(jī)和宇宙飛行器的冷卻、低溫冷卻器(超流體氦、液態(tài)氮)、高溫超導(dǎo)體的冷卻、強(qiáng)激光鏡的冷卻和Stirling發(fā)動機(jī)的冷卻等領(lǐng)域3。

微尺度高效換熱器的熱流計(jì)算微尺度高效換熱器采用開式節(jié)流制冷技術(shù)’‘’，通過制冷劑在微小槽道內(nèi)的沸騰換熱來冷卻內(nèi)部空間。由于槽道壁面溫度大于制冷劑的飽和蒸發(fā)溫度，因此，制冷劑在槽道內(nèi)發(fā)生相變，吸收大量熱量。微尺度高效換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、低熱阻和熱流密度大等特點(diǎn)14。
CFD是計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dy-namics)的簡稱。CFD技術(shù)通常是指采用計(jì)算流體力學(xué)的理論及方法，借助計(jì)算機(jī)對工程中的流動、傳熱、多相流、相變、燃燒、化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值預(yù)測的一種工程研究方法。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對相變現(xiàn)象建立了相應(yīng)的理論框架及計(jì)算模型。
模擬氣液兩相流動與傳熱的數(shù)值方法主要分為顆粒軌道模型、雙流體模型和運(yùn)動界面追蹤技術(shù)，其中運(yùn)動界面追蹤技術(shù)最能準(zhǔn)確、全面地反映氣液兩相間的信息。目前，F(xiàn)LUENT是最廣泛使用的數(shù)值模擬軟件，它采用流體體積(VOF)方法追蹤相間的運(yùn)動界面，能較準(zhǔn)確地模擬相間的蒸發(fā)和冷凝現(xiàn)象。

納米流體強(qiáng)化微尺度換熱目前，關(guān)于納米流體強(qiáng)化微尺度換熱問題的研究還處于起步階段，無論是在納米顆粒的種類還是微尺度換熱器的種類上都存在很多的局限性。學(xué)者們雖然做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但是相互間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻存在著差異甚至是不一致的地方。另外，由于納米顆粒的尺度極小，對其微觀運(yùn)動的觀察研究較困難，這也導(dǎo)致了目前對于納米流體強(qiáng)化換熱的微觀機(jī)理研究還不是太多。今后，可以從以下這幾個方面進(jìn)行更加深入的研究14:
(1)改進(jìn)完善實(shí)驗(yàn)方案，擴(kuò)大納米流體和微尺度換熱器的種類范圍，盡量保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)具有針對性，應(yīng)該更加符合實(shí)際應(yīng)用。
(2)借助更加先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器和觀測手段，著重觀測納米流體的微觀行為以及運(yùn)動狀態(tài)，從微觀角度分析納米流體強(qiáng)化微尺度換熱的機(jī)理。
(3)探索納米流體強(qiáng)化微尺度換熱的影響因素，建立和完善相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，盡量做到具有統(tǒng)一和普適性。

微尺度流動與換熱研究中存在的問題
微尺度流動和換熱的研究己經(jīng)有幾十年的歷史了，其理論及實(shí)際應(yīng)用都有了長足的進(jìn)步，并具有良好的發(fā)展前景。但是，在微尺度流動和換熱的研究中仍存在著不少問題，需要廣大研究者進(jìn)行更深層次的研究以解決。存在問題概括如下3:

(1)微尺度范圍內(nèi)的相關(guān)理論仍不完善，如超低速流動時的蠕變效應(yīng)問題，以及超高速流動時連續(xù)介質(zhì)方法的有效性和適用范圍等仍存在爭議，需要進(jìn)一步研究。

(2)己有的數(shù)值模擬方法具有局限性。在微尺度流動中，極有可能會出現(xiàn)跨兩個或幾個區(qū)域的流動，單純采用連續(xù)介質(zhì)模型或者分子運(yùn)動模型都無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確

展望微尺度換熱器雖已在最近十幾年單得到了迅速的發(fā)展，在高技術(shù)領(lǐng)域中找到了越來越多的用武之地，但仍然存在一些需要探索的方面。本文對微小槽道和多孔介質(zhì)對傳熱的強(qiáng)化效果進(jìn)行了一番比較，發(fā)現(xiàn):多孔介質(zhì)對傳熱的強(qiáng)化效果更好，但同時壓力損失·也更大。在相同的壓降下，多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的效果似更好一些，但是所能通過的流量太小.因此，在發(fā)展‘多孔介質(zhì)式微尺度換熱器”時，應(yīng)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)15。