（热能工程专业论文）流体横掠微针肋热沉内流动与传热特性研究.pdf

摘要 摘要 微流体和微热力系统的发展要求能冷却高热流密度的微型热沉的出现，微 通道作为一种极其紧凑的换热器已经广泛应用于各方面。虽然现有的微通道领域 仍存在许多值得研究的地方，但是我们还是对研究更高更复杂的传热系统提出了 挑战。作为平板微通道的一种扩展形式，本文对具有微针肋结构的热沉进行了实 验研究。 本文首先设计制作了一组流体横掠式微针肋热沉，并采用实验的方法，以 去离子水为实验工质，对热沉内流体的流动阻力和传热性能进行了研究。 研究结果表明，现存宏观尺寸的经验关联式不能准确地预测微针肋热沉的 压力降和努谢尔特数；微针肋热沉的摩擦阻力系数厂随着雷诺数r p 的增加而减 小，但它的减小幅度比宏观尺度平缓的多；低r e 时，流体绕流肋柱时流动截面 的不断变化和流线的弯曲是造成压力降的主导因素，随着r e 的增大，壁面效应 逐步凸现：相同肋密度和r e 下，有低高径比( 岛o ) 肋的实验件有较大的，菱 形肋柱比圆形肋柱，要大。实验中测得的微针肋热沉对流换热系数最高可达 2 4 x 1 0 5 w ( m 2 k ) 随着r p 的增大，对流换热系数也增大，但增大趋势在高r p 时逐 步减缓。与宏观尺度下的研究结果不同，在定r e 下，对流换热系数随着热流密 度的增加而增加。在定流量下，密集的长肋柱热沉换热性能较好，在定压降下， 稀疏的短肋柱热沉换热性能占优，定泵功下，两者换热性能接近，但短肋柱热沉 略优。在总热阻中，对流换热热阻影响下降，由于流体吸热温升造成的热阻成为 总热阻的主要组成部分。 微针肋热沉可在小的传热温差下实现高热流密度的冷却。从研究结果看， 作为一种比普通微通道更优越的新型热沉，微针肋热沉值得引起足够的研究和重 视。 关键词：针肋横掠流动摩擦阻力系数传热特性微通道 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to f m i c r o f l u i d i c sa n dm i c r o t h e r m a le n g i n e e r i n g , t h ed e m a n d f o rm i c r oh e a ts i n k sw i t hh i g hp o w e rd e n s i t i e sh a sb e e nr e s u l t e di nt h eu s eo f m i c r o c h a n n e l sa sc o m p a c th e a te x c h a n g e r si nv a r i o u si n d u s t r i e s a l t h o u g ht h e r ea r e s t i l lh a v eal o to fr e s e a r c hw o r kw i t h i nt h ec u r r e n tg e n e r a t i o no fm i e r o c h a n n e l s ，t h e k n o w l e d g ei nt h i sf i e l di ss u c ht l l a tt h eh e a tt r a n s f e rc o m m u n i t yi sr e a d yt ot a k e c h a l l e n g e sa n da d v a n c et h ed e v e l o p m e n to fs o p h i s t i c a t e ds e c o n dg e n e r a t i o nh e a t t r a n s f e rs y s t e m s t h er e s e a r c hw o r kh a sb e e nd i r e c t e dt o w a r d sp r o p o s i n gm i c r op i n f i nh e a ts i n k sa s 锄a l t e r n a t i v eo f p l a i nm i e r o c h a n n e l sa n dc o n d u c t i n ge x p e r i m e n t so n m i c r op i nf i nd e v i c e s p r e s s u r ed r o pa n dh e a tt r a n s f e rw i t ht h ef o r c e df l o wo fd e - i o n i z e dw a t e ro v e ra s 缸嚣o fm i c r op i nf i nh e a ts i n k sh a v eb e e ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t e d i th a sb e e n f o u n dt h a te x i s t i n gc o n v e n t i o n a ls c a l ec o r r e l a t i o n sw e r en o ta b l et op r e d i c tt h ef r i c t i o n f a c t o r sa n dn n s s e l tn u m b e ra c c u r a t e l ya tt h em i c r os c a l e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ef r i c t i o nf a c t o rr e d u c e sw i t hi n c r e a s i n gr e y n o l d sn u m b e r am o r es m o o t h l y c a l r v eh a sb e e no b t a i n e dc o m p a r i n g1 i mt h ep r o f i l ea tt h em a c r os c a l e e n d w a l l e f f e c t sa r es i g n i f i c a n t 船t h ei n c r e a s i n gr e y n o l d sn u m b e r t h ed e v i c ew i t l ll o wh d r a t i op r o d u c e sh i 曲f r i c t i o nf a c t o ra tt h es a l l l ep i nf i nd e n s i t i e sa n dr e y n o l d sn u m b e r , w h i l et h ed i a m o n ds h a p c dp i n sp r o d u c eh i g h e rf r i c t i o nf a c t o r sw h e nc o m p a r e dw i t h t h ec i r c u l a rp i n s t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t ht h er e y n o l d sn u m b e r a n dt h eh i g h e a tv a l u eh a sb e e nt e s t e du pt o2 4 x 1 0 5w ( m 2 k ) h o w e v e r , t h es l o po f t h e h e a tt r a n s f e rc r i - v ed e c r e a s e ss h a r p l yi nt h eh i g hr e y n o l d sn u m b e r f r o mt h el a r g e s c a l es y s t e m s t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t ht h eh e a tf l u x f o rf i x e df l o w r a t e ，d e n s ep i nf i n sc o n f i g u r a t i o n sh a v eb e t t e rh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c et h a ns p a r s e p i nf i nc o n f i g u r a t i o n s w h e r e a sf o rf i x e dp r e s s u r ed r o pt h er e s u l ti sr e v e t s e 1 1 圮 d e n s i t yo fp i nf i n sh a sn o ts i g n i f i c a n ta f f e c t e dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h e s h o r tp i nf i nh e a ts i n ki sf a v o r e df o rf i x e dp u m pp o w e r i nm a n y 洌, q e s ，t h et h e r m a l r e s i s t a n c ed u et ot h ei n c r e a s ei nl i q u i dt e m p e r a t u r ep r e d o m i n a t e so v e rt h et h e r m a l r e s i s t a n c ed u et oc o n v e c t i o n k e yw o r d ：p i n 矗nc r o s sf l o w , f r i c t i o nf a c t o r , h e a tt r a n s f e r , m i e r o c h a n n e l 主要符号表 主要符号表 加热面积，m 2 去除肋柱面后的底面积，m 2 肋柱总侧面积，m 2 最小流动面积，n f 总传热面积，m ， 总润湿面积，m ? 定压比热，k j 舡g k ) 肋柱直径，m 利用紧凑式方法的当量直径，m 摩擦阻力系数 高度，m 平均对流换热系数，w ( m 2 k ) 电流，a 热沉长度，l n 质量流量，j c s s 肋柱排数 总肋柱个数 努谢尔特数 压强，p a 泵功率，w 普朗特数 体积流量，m l m m 热流密度，w m 2 加热膜电阻，q 总热阻，l 利用管束式方法的雷诺数 利用紧凑式方法的雷诺数 肋柱斜间距，m 肋柱横向间距，m 肋柱纵向间距，m 环境温度， 流体平均温度， 流体进口温度， 流体出口温度， 外壁面温度；加热膜表面温度， 内壁面温度， 电压，v 4也缸4厶勺d风，日。，工坼肌p p丹q。愚岛船胁岛昆昂弓矿 北京丁业大学工学硕士学位论文 矿 w 希腊字母 r l o 由 j p 下标 c o n d c a p f f i n o u t q w o 速度，m s 电功率，w 通道宽度，m 加热膜宽度，i n 导热系数，w ( m ) 肋壁效率 肋柱效率 实际输入热量，w 基底厚度，m 运动粘度，m 2 s 局部阻力系数 密度，k g m 3 时间，8 传导 对流 工质焓的变化 流体 肋柱 进口 出口 热流密度 内壁面 外壁面 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盈【j 遒日期：盟： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塾且佥导师签名：亘盟 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 近年来自然科学及工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，一个重 要的原因是因为传统尺度上( 人类自身所能感知的空间和时间尺度) 的物理现象 及其规律已得到较充分的认识，人们的注意力逐渐转向那些小尺度或快速过程中 的现象及器件上来。尤其是微电子机械系统的飞速发展，更极大地推动了这一研 究热潮，微小元器件以其价格低廉和性能卓著而对世人产生了不可阻挡的诱惑 力。微尺度在微电机、微生物工程、微电子工程、航空航天、材料处理等领域有 广泛的应用前景，而流动和传热都是其中非常突出而重要的问题。 1 1 1 电子设备上的应用 电子元器件的小型化、微型化和集成技术的发展，人们对高频率和高运算 速度的追求，使得电子设备功率密度在不断地增大。因为电子元件并非具有百分 之百的效率，所以转化的热量将随着功率的增大而增加。热量在微尺寸结构元件 处的累积，将导致器件及系统温度迅速升高，严重影响电子元器件的工作状态， 同时也会降低器件和系统的稳定性、可靠性以及寿命。尤其是现在微电子机械系 统( m e m s ) 得到了飞速地发展，m e m s 器件本身的大小决定了它散热系统的 尺寸必须微小。因此，电子设备的散热问题已成为制约微电子工业发展的瓶颈【l 】， 是亟待解决的关键技术。 目前，空气强制对流技术被广泛应用于电子装置中。这种传统的冷却方式 无外乎是散热片与风扇的组合，在电子元器件微型化、集成化这种不可逆转的趋 势下，为达到好的冷却效果，只能增加气流速度，进而产生较大的噪声，显然传 统的冷却器已经无法满足现代工业飞速发展的要求。寻求高效可靠的冷却手段来 应付有重量限制与体积限制的极高热负荷的挑战，并用以指导微冷却器的设计， 是国际传热学界面临的重大课题。 1 1 2 大功率半导体激光器上的应用 半导体激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑、峰值功率高、能将电能直 接转换为激光能、功率转换效率高等优点 2 j ，应用领域涵盖了军事、航天、工农 业和医学等，已成为当今光电子科学的核心技术，特别是高功率半导体激光技术 已经成为发展国防工业的重要技术基础。延长半导体激光器的使用寿命，提高半 导体激光器的可靠性，增大半导体激光器的输出功率一直是人们追求的目标。在 激光器的封装过程中，最为关键的技术则是低热阻技术、低欧姆接触技术和高效 冷却技术。由于随着注入电流的增加和功率的增大，热耗散功率也随之增大。如 北京丁业火学t 学硕t 学位论文 果不及时消除因耗散功率所转化的热量，势必造成结温升高，从而使激光器的阈 值电流升高，效率降低，激光波长发生严重温漂，更致命的是使激光器的寿命下 降。因此如何及时消除因耗散功率所转化的热量，解决散热冷却问题就成为研制 大功率半导体激光器必须攻克的技术之一口1 。 1 2 相关领域的研究基础 高新技术的发展加速了微尺度传热学的研究，这已经成为当前传热学研究 的重要前沿课题之一。为解决先进设备与器件的热负荷不断增大的问题，国内外 正在积极着手研究各种具有不同传热机理的微型冷却器，如微热交换器、微冷冻 机、微通道热沉、微射流阵列热沉、微热管均热片及整合式微冷却器等。其中微 通道热沉由于加工制作技术比较成熟，得到了人们较多的关注。 现在科技的飞速发展和能源问题的日益严峻，同时也向传热强化研究方面 不断提出新的挑战。近年来，国内外的学者们在强化换热的具体实施途径和手段 上投入了大量的精力，这些研究成果可应用于微尺度传热学中，加速科研工作的 进程。 自上世纪8 0 年代初，微通道内的流动和换热开始受到人们的关注。微通道 热沉最早由d b t u c k e r m a r l 4 】提出，他指出将尺寸降低至微尺度下，使用液体冷 却换热器可驱散高达1 0 0 0 w c r n 2 的热流密度。他所描述的微通道热沉的结构是： 在集成电路的硅衬底背面用化学方法腐蚀若干矩形沟槽，用盖板耦合构成封闭的 冷却剂通道，密封与外界的连接而形成冷却剂回路。器件产生的热量通过联结层 而传导到热沉，被微通道中流动的冷却剂带走以达到对集成电路芯片散热的目 的。 此后，人们便对微通道中单相5 卅和沸腾7 。9 1 情况的传热和流动机理进行了深 入的探察和研究，现已存在这方面的换热关系式和流型鉴定方法。到目前为止， 微通道热沉已被应用于微电子、微型热交换器、微型机械冷却等领域当中，它的 优越性在于传热面积大、热扩散距离短 1 0 】。 在微通道热沉的研究基础上，结合相应地对流换热强化技术，研究和制备 更加高效的换热器，以应用于体积更小、速度更快、具有更高功率密度的电子元 件，这便是微型热沉新的发展方向。 微机加工技术的日臻完善，使研发极其紧凑高效的热沉成为可能。在这种情 况下，一种性能优越的微型热沉檄针肋阵列热沉 1 h 2 已经受到人们越来越多 的关注。 从结构上看，流体横掠微型针肋阵列热沉是在微通道内敷设与主流流体流 动方向垂直的针肋阵列，限制在通道中的流动是典型的内部流动情况，而经过针 肋的横向流是典型的外部流动情况，可以说，微针肋热沉是内部流动和外部流动 第1 章绪论 的结合体，与微通道或其他微型热沉相比，它能更好的强化热沉的对流换热。 几乎在所有的热沉研究中，其根本目的就是强化热沉的对流换热。对流换 熟是指流体流过另一物体表面时对流和导热联合起作用的热量传递方式【1 3 】。对流 换热的基本计算式为牛顿冷却定律，其中增加换热面积和增加对流换热系数可以 增大换热量，可用以强化换热。 对流换热强化的分类，最广为人们接受的是b e r g l c s t l 7 】的分类方法，依据 是否需要额外的动力划分为无源( 被动) 技术和有源( 主动) 技术。 按照b e r g l e s 的分类，无源( 被动) 技术分为下列8 种： ( 1 ) 处理表面：用机械或化学的方法将换热表面处理成多孔表面或锯齿形表 面，多用于相变换热。 ( 2 ) 租糙表面：表面粗糙元的微观结构几何尺寸比通道几何尺寸小的多，但 比处理表面的尺寸大，用于增加壁面附近的流体湍流度、减少粘性底层厚度。 ( 3 ) 扩展表面：扩展表面的翅片几何尺寸比粗糙元要大很多，目的是增大换 热面积，它广泛用于各种对流换热场合。 ( 4 ) 扰流元件：扰流元件一般是设置在通道中的与介质流动方向垂直的柱体， 它不仅能对介质的流动起到扰动作用，而且还能增加传热面积。 ( 5 ) 旋流发生器：旋流发生器是在流动通道中放置的扭曲带、螺旋叶片等， 目的是使层流流动中产生强烈的涡动，从而强化换热。 ( 6 ) 螺旋管：对流动通道本身进行弯曲或扭曲，使流体产生与主流方向垂直 的二次流动从而强化换热。 ( 7 ) 表面张力器件：换热表面的某些特殊结构，如多孔结构。 ( 8 ) 添加物：向介质中加入特殊的添加物能够在一定条件下有效地提高其换 熟系数，或减小流动阻力。 属于有源( 主动) 强化技术的有：机械搅动；表面振动；流体振动；电磁场； 喷注或抽吸；射流冲击。 流体横掠微针肋热沉具有的基本结构是在通道中设置与介质流动方向垂直 的针肋( 或称扰流元) ，针肋不仅能极大的增加有效传热面积，还可对介质的流 动起到扰动作用，增强换熟。从强化换热手段看属于强化换热中的扰流元件类型。 1 3 课题的研究现状 在换热表面敷设针肋阵列可有效拓展传热面积，强化换热。从流体冲击针 肋的角度来看，针肋阵列热沉可分为流体横掠针肋和流体纵掠针肋两种型式。 1 3 1 流体纵掠针肋阵列热沉 迄今为止，在宏观尺度下关于流体纵向冲刷敷设针肋阵列表面时传热特性 北京工业大学工学硕：七学位论文 的研究开展得十分广泛。 c o p e l a n d 1 s l 以f c 一7 2 为工质研究了多孔射流冲击针肋换热面时单相受迫对 流换热和沸腾换热特性，实验中所用微针肋截面为方形。 b r i g n o n i 等【l9 j 研究了多孔空气射流冲击针肋热沉的传热特性，所用热沉传 热面尺寸为2 0 x 2 0 m m ，其上敷设7 2 个直径为o 9 r a m ，高度为1 6 4 m m 的圆形截 面针肋。 c h i e n 等【2 0 荆用空气垂直冲击微针肋阵列表面，对边长为2 0 0 1 a m 到l m m 范 围的方形微针肋换热特性进行了实验研究。 e l s h e i k h & g a r i m e l l a 2 1 - 2 2 1 研究了受限空气垂直冲刷针肋热沉的传热特性， 得到了针肋高度、针肋直径等参数对热沉表面传热特性的影响，实验中微针肋阵 列为叉排布置。 l i & g a r i m e l l a t 2 3 1 、g a r i m e l l a l 2 4 指出具有不同热物性的流体掠过针肋阵列时 其努谢尔特数( n u s s e l t n u m b e r ) 随其它参数的变化规律会呈现明显的差别。 应当指出，上述研究工作大部分以气体为工质，而在微尺度条件下( 微电 子系统冷却等) 常采用传热性能优越、普朗特数较高的冷却介质( 水或其它冷媒 等) 。 1 3 2 流体横掠宏观尺度针肋阵列热沉 关于流体横向掠过针肋阵列时流动与传热特性的研究工作大多也集中在宏 观尺度范围内。上个世纪，人们对横掠管束、透平机械叶片冷却等方面进行了大 量的研究，积累了很多水或空气掠过针肋阵列时传热系数和压降的数据，建立了 关于层流、湍流及过渡流的摩擦系数关系式，总结了很多有价值的换热特性和努 谢尔特数公式。 z u k a u s k a s 2 5 2 6 】等对流体横掠长圆管束进行了实验研究，并在实验研究的基 础上通过无量纲分析得到流体横掠长圆柱体的对流换热系数与雷诺数( r e y n o l d s n u m b e r ) 和普朗特数( p r a n d t ln u m b e r ) 有关，并从不同排列结构和流动形式方面对 关系式进行了分类，平均努谢尔数的通用方程是n u = c r e p r ，这里g 疗为常 数，不同的管子布置和热水力状况对应不同的常数值。 g a d d i s & g n i e l i n s k ip 分析讨论了常规的横掠管束压降关系数，提出长管 f l - i d 8 ) 在层流区、紊流区和过渡区的压降通用关系式，关系式中包含了流体温 度、管排数和管子几何结构的影响因素。 n a s a l e w i s ( v a n f o s s e n 等搏3 0 1 ) 和a r i z o n as t a t eu n i v e r s i t y ( m e t z g e r 等 p ”引) 两个小组，对涡轮叶片尾缘处圆形针肋阵列( 中等尺度针肋8 h d l 2 ) 的几何参数、流动参数等进行了系统的研究，并分析了这些参数对传热及压降特 性的影响大小。他们不仅分析得出了针肋阵列的整体换热特性，还分排对针肋的 局部换热特性进行了研究，得到了与平板或光滑通道中不同的实验结果。 第1 章绪论 a r m s t m n g & w i n s t a n l e ，蚓对中等尺度的叉排布置针肋进行了综述。总的来 说，短针肋的平均传热系数低于长圆柱的平均传热系数，原因是相对于不受端壁 影响的圆柱壁来说，接近壁面的圆柱壁传热量要小，并指出用长管和短柱换热情 况的插值并不能解决中等尺度针肋的问题。 s p a r r o w 等【3 5 悃萘升华技术和流场可视化技术对针肋与周围流体的换热及 流动情况进行了研究，指出壁面与针肋的相互影响区域局限在约一个针肋直径的 范围，这种相互作用使得靠近壁面的针肋表面( 处于相互作用影响区域) 换热比远 离壁面的针肋表面( 不处于相互作用影响区域) 换热要低。 s p a r r o w & g r a n n i s 3 6 】对空气横掠叉排菱形针肋( 平行与来流方向顶角为4 5 0 和9 0 0 ) 流动情形进行研究，以肋的当量直径为特征长度的雷诺数变化范围为 2 0 - 2 2 0 0 ，结果发现在雷诺数较低( r e 1 0 0 ) 时，4 5 0 布置的针肋具有较高的摩擦系 数；在雷诺数较高时，由于惯性的作用9 0 。布置的针肋摩擦系数增加。作者用实 验数据来说明摩擦系数依赖于具体的几何分布。 c h y u 掣3 7 】研究窄通道中顺排和叉排针肋阵列的传热和压降特性，针肋的横 截面形状有圆形、方形和菱形三种，他们得出结论方形针肋阵列对换热器来说是 最好的，原因是其具有较好的传热特性和适中的压力损失。 s h o r t 等【3 ”9 】为解决电子设备冷却问题，对流体横掠单面受热叉排针肋阵列 进行了实验研究，提出了摩擦系数和，因子的实验关联式，并指出在层流时 ( r e 1 0 0 0 ) 摩擦系数显著依赖于针肋的几何结构。 。 m o o r e s & 3 0 s h i l 4 0 1 实验研究了顶部有间隙的圆形针肋的压降和传热特性，雷 诺数的变化范围为2 0 0 - 1 0 0 0 0 ，指出适当的顶部间隙可增加平均传热系数，降低 整体压降。 。 m o n t e l p a r e & r i c c i f 4 “习对圆形、方形、三角形和长菱形的针肋阵列分别进行 传热性能的实验研究，结果显示努谢尔特数显著依赖于针肋形状，换热性能较好 的是三角形和长菱形针肋。 1 3 3 流体横掠微尺度针肋阵列热沉 宏观尺度下的研究结果为在微尺度条件下开展相关研究提供了很多有价值 的信息。但是当尺寸微细化后，其流动和传热规律己明显不同于宏观尺度下的流 动和传热现象 4 3 1 。因此，微尺度下流体横掠针肋特性并不能通过宏观尺度相似结 构的研究结果简单地推演得出。 m a r q u e s & k e l l y t l 2 】设计了具有针肋结构的微型换热器，实验使用气体横向冲 刷微针肋( 当量直径5 0 0 1 t m _ ，高5 0 0 1 a m ) 阵列，指出这种换热器可有效控制高 热流密度设备的表面温度。 p e l e s 等人m 的研究小组在该领域做了大量的工作，他们首先发展了一个模 型来预测流体横向掠过微针肋表面时，热沉的总热阻。由于缺乏微尺度条件下流 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 体横掠微针肋阵列时流动与传热特性的实验数据，其模型中采用了一些宏观尺度 下的相关研究结果。随后k o s a r 等m 】以去离子水为工质，分别对低雷诺数下流体 横掠叉排和顺排微针肋阵列的流动特性进行了实验研究，针肋横截面分别为圆形 和菱形，其当量直径分别为5 0 阻 n 和1 0 0 p a n ，肋高为1 0 0 i _ t m 。结果表明，在低雷 诺数下微针肋高度与当量直径之比( i d ) 对摩擦系数有重大影响；随着雷诺数 的增加，影响逐渐减弱。在实验基础上，他们还考虑针肋密度和端壁效应等影响 因素，提出了微尺度下阻力关系式。2 0 0 6 年，k o s a r 等【4 6 对流体横掠叉排微针肋 束时的传热和压降特性进行了实验研究，实验工质为去离子水，微针肋的高度为 2 4 3 1 a m ，当量直径为9 9 5 1 a m 。他们指出通过合理地设计微针肋热沉可以在保持 优越传热性能的基础上有效减小流动阻力，进而降低泵功消耗。但当他们用微观 阻力关系式f 4 5 1 对此实验结果进行估计时，也出现了不小的偏差，说明微尺度下流 体横掠针肋的换热和阻力特性有待进一步的研究和探索。之后，k o s a r 等【4 h 8 】又 以制冷剂r - 1 2 3 为工质，对工质横掠微针肋的流动沸腾特性进行了初步研究，针 肋横截面分别为圆形和水翼形。 由上述研究工作可以看出，在宏观尺度下，人们积累了大量关于管束或针 肋阵列的传热和压降的数据，这为微观领域提供了研究的基础，但是并不清楚宏 观尺度下的关系式和方法是否也能在微型设备中应用。文献调查显示关于横向流 动结构的研究很少，对中等尺寸圆柱( 或非圆针肋) 传热和压降的研究更是有限。 另外，在对电子器件、超紧凑式换热器等设备进行实验时，应该用传热系数较高、 p r 数较大的工质( 如水和各种制冷剂) ，但是宏观尺度下用的工质大多为空气。 因此，在微尺度下对流体横掠针肋阵列的研究才刚刚起步。 1 4 主要研究内容 本课题的主要内容是设计加工各种几何形状、间距和布置方式的微针肋热 沉，通过实验分析微针肋热沉的流动与换热情况，并比较各微针肋热沉之间和微 针肋热沉与宏观尺度下的热沉的换热性能。 具体研究内容如下： 1 设计并加工实验所用微针肋热沉，开发一个不对实验件产生破坏应力的 封装结构，并建立相应的实验系统。实验系统应易于实验件的拆卸和安装，还要 易于测量两端压力、温度。 2 在热沉表面建设可模拟电子元件实际发热情况的铂加热膜，用热像仪测 量薄膜表面的温度分布，进而得到沿通道内流体流动方向的温度分布； 3 进行微针肋热沉流动与传热特性的研究。用多种的实验方法和技术对获 取的流体压降、温度等实验数据进行分析，得出摩擦系数和努谢尔特数，并与现 存关联式进行比较 第1 章绪论 4 通过对具有不同针肋形式的热沉元件之间的对比，研究端壁效应、针肋 形状、针肋高径比对摩擦阻力系数和传热的影响。 1 5 本研究课题的来源 本研究受北京市教育委员会科技计划重点项目( k z 2 0 0 7 1 0 0 0 5 0 0 1 ) 、国家自 然科学基金项目( 5 0 4 7 6 0 3 5 ) 、北京市自然科学基金项目( 3 0 5 2 0 0 4 ) 资助 第2 章实验系统与实验方案 第2 章实验系统与实验方案 本章首先设计制作了横掠式微针肋热沉，之后介绍了横掠式微针肋热沉的 实验系统及实验方案，并说明了测试方法，进行了误差分析。 2 。1 实验件的设计 2 1 1 热沉基体材料的选用 在选取热沉材料时，主要考虑两个问题： 1 材料的热导率。材料的热导率越高，则热阻就越小，传热效率也就越高。 2 材料的线性热膨胀系数。所选热沉材料的线性热膨胀系数与需要冷却的 半导体激光器外延片材料的线性热膨胀系数匹配性要好。如果外延片材料与热沉 材料的线性热膨胀系数不匹配，那么在外延片材料与热沉材料之间会产生应力而 拉伤激光器的管芯，甚至会使得激光器的管芯断裂，造成激光器突然失效。 因此在进行优化选择热沉材料的时候，要选择热应力小、热导率高的材料。 此外，还要考虑热沉材料的可加工性能、原材料的成本、环保性以及电阻等，以 优化制备高性能热沉的可行性。 常用作热沉的材料有无氧铜【4 9 1 、铜钨合金【5 0 1 、铝【5 1 j 和硅【5 2 5 3 】等，目前用得 最多的材料是硅和无氧铜。 铜的导热性较好，加工成本相对较低，但加工工艺相对单一，它的各向同 性和硬度低的特点也决定了它无法用来进行高精度，微尺度的加工。 硅是世界上最丰富的材料之一，目前广泛应用在m e m s 方面，作为微机械 材料，除了有足够的机械强度和优良的电性能外，它有很多优良的性能： 1 硅的力学性能稳定，并且可被集成到相同衬底的电子器件上，从而直接 对电子器件进行冷却，消除了将热沉与被冷却器件粘结时的接触热阻。 2 硅几乎是一个理想的结构材料。尽管硅晶体的理论断裂强度不及钢等典 型结构材料，但由于硅晶体晶格缺陷相对少，微细加工可获得较好的表面完整性， 所以其实测强度( 7 g p a ) 却比钢( 4 2 g p a ) 大。硅的杨氏模量( 约2 x1 0 5 m p a ) 和不锈钢、镍不相上下，但却与铝一样轻，其质量密度约为2 3 9 c m 3 。硅的抗拉 强度可以超过钢材。硅单晶的屈服强度为7 0 g p a ，比不锈钢至少大三倍。 3 硅的热传导率( 1 5 2 w ( m k ) ) 也较大，是钢的1 5 倍，但其热膨胀系数 ( 2 3 3x1 0 4 l k ) 比钢小8 倍，比铝小1 0 倍，更加接近玻璃的热膨胀系数，这样 与玻璃键合后温度导致的热应力也会相对减小。当然，由于与半导体激光器所用 材料基本相同，所以与被冷却器件的匹配性更加无需考虑。 4 硅晶片非常平，所以可以在其上依靠表面微加工技术来形成微几何结构 北京工业大学工学硕士学位论文 或者导电薄膜。 5 比起其它基体材料，硅基体在设计和制造中具有更大的灵活性。硅基体 的处理和制作工艺已经比较成熟，加工精度高，容易形成各类薄膜，它的各向异 性特点也使得高纵深比，有垂直侧壁的器件加工成为可能。 6 虽然硅的微加工成本较高，但由于热沉尺寸较小，一批次可以加工出相 当数量的热沉元件，所以其相对成本相应的会得到大幅度下降。 由于微针肋热沉中针肋柱数目多，尺寸小，加工精度要求较高，结合硅的 特点，我们选用硅作为基体材料。 2 1 2 加热膜材料的选用 本实验研究的一个关键问题是微针肋热沉散热片和被冷却元件接触区域的 温度分布特性，所以如何建设一个模拟热源是一个至关重要的问题。由于金属电 加热薄膜有较高的热效率、较宽的电压适用范围、达到所需工况的时间短以及表 面温度分布均匀等特点，所以实验采用金属薄膜作为热源。加热膜材料的材质、 加热膜形状和制备工艺等方面是互相影响和制约的，因此，选择加热膜材料要综 合考虑这几方面的影响。金属加热膜材料的选用根据有以下几点： ( 1 ) 电阻率要适中。 电阻太小，给定功率下的电流可能会超出仪器测量范 围，烧毁电源；电阻太大，给定功率下的电压会超出绝缘膜承受最高电压。综合 考虑电源的各项参数以及镀膜技术，来选择合适的镀膜厚度，即合适的电阻。 ( 2 ) 应尽量使金属加热膜厚度薄，热导率高。根据傅立叶导热定律可知， 热导率越大，膜厚度越薄，材料两侧温差就越小。这样在实验中可以将利用红外 热像仪测量到的加热膜外表面的温度分布，近似看作膜内表面，即热沉底面的温 度分布。 ( 3 ) 金属加热膜要具有良好的物理化学性质。对环境有高度的稳定性，不 受水气、盐雾和某些焊接剂中的还原性气体的侵蚀。能适应与导线焊接时的高温， 不容易被氧化。因为金属膜厚度较薄，所以也要求金属膜有较高的硬度，耐划伤， 防止因误操作造成电阻的分配不均进而影响实验结果。 ( 4 ) 金属加热膜与基体附着性要好。它们之间的附着性能主要是受范德瓦 尔力、扩散附着、机械锁合、静电引力和化学键力等的综合作用。薄膜与基体的 热膨胀系数应该匹配，这样才可以减小因温度循环、温度冲击、焊接等引起的热 应力。在实践中发现，如果薄膜与基片的热膨胀系数不匹配，热应力足以把薄膜 从基体上剥落下来。另外基体的表面粗糙度、清洗效果、靶材纯度、镀膜机的真 空度、真空室的清洁程度等对膜的附着力也有极大的影响。表2 1 给出了几种常 用的金属材料的性质。 第2 章实验系统与实验方案 表2 1 几种金属材料性质的对比 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no f s e v e r a lk i n d so f m e t a lm a t e t i a j s 电阻率电阻温度系数导热系数线胀系数 材料 l o n m1 0 - 3 c w ( m k 1 l o 铬 1 3 2 2 1 49 1 36 5 铂1 0 5 83 9 27 3 49 铝 2 6 7 4 52 3 82 3 5 镍 6 96 8 8 8 5 1 3 3 铜1 6 9 44 33 9 81 7 康铜 5 0 1 94 51 4 镍铬 1 0 9o 4 81 51 2 8 根据上面的选用原则和加工工艺的可行性，我们最终选用了铂作为加热膜 材料。相较于铜铝，铂材料有良好的延展性和热电性能。它的化学性质不活泼， 在空气和潮湿环境中稳定，常温下不受普通的酸、碱、盐和有机物的侵蚀；有较 高的的强度和硬度。 2 1 3 热沉的结构设计 在微尺度下，人们普遍认为，随着尺度的越来越小，器件中的热和流体行 为将严重偏离传统传热学和流体力学理论所描述的规律，即微尺度区域内的热流 体行为将体现出强烈的尺度效应。适用于宏观尺寸的数值模拟相应得也无法为微 尺度器件的设计提供有益的参考，所以主要是参考相关文献【“，4 5 ，4 6 1 提供的 数据并结合课题内容进行了热沉的设计。 本课题目的是为了考察微针肋热沉的阻力和传热特性，在此基础上进一步 研究微针肋的高径比、肋的密度和间距、肋的排布方式对阻力和传热特性的影响。 在设计时围绕这一目的，设计了相当数目的具有相互可比性的微针肋热沉元件。 图2 1 为热沉元件总体结构的c a d 示意图，其基本结构是在硅基体上腐蚀出一 个内嵌数百个肋柱、长2 0 m m 、宽2 m m 、深o 2 m m 的微通道，肋柱的扰流作用 可强化传热。而各个热沉元件内所含肋柱具有不同尺寸、不同高径比、不同肋间 距、不同排布方式、不同形状，用以在实验中进行对比。当硅基体加工完成后， 在其上键合一层石英玻璃，从而形成一个封闭通道。由于硅具有脆性较大，容易 破碎的特点，所以在通道两边各留5 m m 的边壁用来改善热沉的可靠性。为了模 拟被冷却器件的发热情况，在热沉底部镀一层金属加热膜，以输入电功率的形式 模拟被冷却器件的发热状况。为减小通道侧壁导热对实验结果的影响，加热膜宽 度应比通道宽度稍窄。表2 - 2 给出了部分热沉元件的设计数据。 北京- t = 业大学工学硕七学位论文 ( a ) do ；岔 圈 图2 一l ( a ) 微针肋热沉c a d 模型图c o ) i e 面示意图 f i g 2 1 ( a ) c a dm o d e lo f t h em i c r op i nf i nh e a ts i n k c o ) t o pv i e wo f t h ed c v i o e 表2 - 2 热沉元件的设计尺寸 t a b l e 2 - 2t h ed e s i g n i n gd i m e n s i o no f t h ed e v i c e s 热玑兀肋柱形肋柱尺寸 件号 状 排布方式 s “m )s “m )s d ( 阻n ) ( u m ) 4 圆柱转置正方形叉排 a 9 02 5 41 2 71 8 0 5圆柱顺排0 2 0 02 9 03 0 0 6 圆柱有间断转置正方形叉排 0 2 0 04 4 02 2 03 0 0 7圆柱 转置正方形叉排 0 1 2 02 5 41 7 71 8 0 8 圆柱止= 角形叉排 0 2 0 02 9 02 5 l2 9 0 1 0圆柱 转置正方形叉排 0 2 0 04 4 02 2 03 0 0 l l 菱形转置正方形叉排 a = b = 2 0 04 4 02 2 03 0 0 - 1 2 第2 章实验系统与实验方案 为了在后期的实验中减小加热膜与流体间硅基底的导热热阻，硅片应尽可 能的薄。设计采用的单晶硅片厚度为3 5 0 h m ，去除2 0 0 p r o 的腐蚀深度，底壁厚 度为1 5 0 p m 。从安全性出发，我们对此进行了校核，按照四边固支矩形板弯曲应 力公式【驯，当外加压强为9 0 m p a 时才能达到硅的塑性屈服应力( 约7 0 0 0 m p a ) ， 这远远大于实验压力，所以选用厚度完全满足实验要求。 由于铂加热膜加工工艺的限制，所形成的加热膜厚度在1 0 0 0 埃左右。根据 经验数据，厚度为1 0 0 0 埃左右的铂薄膜的方电阻在1 6 8 1 7 0 欧姆方块之间。 这里，方电阻是指长宽相等的正方形薄膜电阻的电阻值，其大小与正方形的尺寸 无关，仅与电阻膜的性质以及厚度有关；对直线型薄膜电阻，其长宽比称为方数， 总电阻值即为方数与方电阻的乘积【5 5 1 。由于通道的长宽比较大，如果采用蛇形结 构，方数会呈指数倍增加，总阻值也随方块数线型增大到无法接受的程度。所以 我们采用了膜状结构，图2 2 是金属加热膜的具体结构图。 图2 - 2 加热膜示意图( 单位：m m ) f i g 2 - 2s c h e m a t i co f t h eh e a t i a gf i l m ( u n i t ：m m ) 2 2 实验件的制作 由于横掠式微针肋热沉具有尺寸小、结构复杂的特点，常规的加工工艺已 经无法满足其工艺要求。为了能加工出微米级尺度的微针肋热沉，我们采用了先 进的m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 加工工艺。目前，m e m s 加工技术 已经比较成熟，主要有机械微加工、放电微加t ( 又称火花腐蚀) 、激光微加工 和硅刻蚀加工。这里，根据所选用的基体材料和要求的加工形状与精度，采用了 硅体加工技术。最终加工由北京大学微电子所完成。图2 3 给出了其主要加工流 程，由于加工工序比较复杂，没有一一列举出来。主要可总结为四部分：制作掩 模一主体加i - - 玻璃键合一加热膜制各。制作完成后的热沉元件又做了进一步的 封装处理，使其能方便的与实验系统接入与拆卸。下面对此作逐步的介绍。 jil叫叫- 北京f 业人学一r 学硕十学位论文 茕弋 彰， = = = 二二二二 t 嗣* 祖备 簟邕攀醴国杰蔓醚五蝴 e 昼畜；工= = ；口= = z = = ；口司 c - 豫蠹日黻 | 心l i 白蔓鬯苎彦! 型墅! ! 苎出 二= = = = = = = = = = = = = 盈口 深匿尉回菪子刻蚀 r 1r 厂 厂 广 二口= = = = z = = = = ；口；之= = 盈 k 去搦淄膊 圃骚翠萃器圆圈 赢焉i z z z ；z o i 墨商 j 蜮螭倒 f 囊f 踟舻层 l 翱膏j 谊慨黝毳趣碹蠼 图2 - 3 微针肋热沉加工流程 ， f i g 2 - 3m i c r op i nf mh e a ts i n kf a b r i c a t i n gp r o c e s s 2 2 1 掩模的制作 掩模是用来在涂覆有抗蚀剂的硅晶片上形成所需形状的模版。它由约 1 5 3 m m 厚的玻璃板或石英组成，表面溅射铬层作为吸收体。铬层厚度一般为 0 1 l a r n ，具有足