微通道強化換熱研究進展

孫亞松，劉紅敏

(上海海事大學 商船學院,上海 200135)

隨著微電子機械系統、微型衛星等各種新型微型儀器的發展，高度集成化導致的散熱問題日益凸顯。微通道換熱器[1]因其重量輕、比表面積大等優點而成為最實用的選擇。目前，對于微通道散熱的研究主要集中在流動工質、微道結構兩個方面，研究者的研究都被分為三類:實驗研究、分析研究和數值研究。研究者在不同的工況下，就以上方面和方法對芯片微通道散熱器換熱及流動特性進行了研究，在一定程度上改善了芯片的散熱性能，促進了電子芯片的進一步集成化發展。

1 納米流體對微通道換熱的影響

納米流體是指粒徑在100 nm以內，熱導率比基礎液體高一個數量級的液體懸浮液或分散體。它們具有顯著的高導熱系數和良好的長期穩定性和流變性，對傳熱有很大的優勢。大量研究顯示納米流體有較好的換熱效果。

周建陽等[2]為了全面研究納米顆粒濃度對納米流體傳熱和壓降的影響，采用超聲振動法制備了0.05%～0.4%的均勻穩定的Al2O3/R141b納米流體。對微型換熱器進行了正交試驗和單因素試驗。同時，采用多指標綜合評價方法和均勻性方差檢驗，綜合評價了納米顆粒濃度對納米流體流動沸騰傳熱和壓降的影響。結果表明，納米顆粒濃度對Al2O3/R141b的傳熱性能有顯著影響，隨著納米顆粒濃度的增加，其傳熱性能呈非線性。考慮到納米粒子濃度對傳熱和壓降的影響，采用熵值法得到納米粒子對壓降和傳熱的影響權重分別為0.715,0.285。基于多指標綜合評價法得出納米流體顆粒濃度為0.2%，其中納米流體的傳熱系數最佳，壓降最小。

Manay[3]研究了鐵素體基(Fe2O3·NiO)納米流體在多微通道散熱器中的混合對流換熱特性進行實驗研究。兩個矩形交叉切割微通道散熱器有兩個不同高度H=1,1.8 mm,寬度300 μm。將鐵基納米顆粒以0.25%和0.5%的兩種不同體積比懸浮于純水中，分別對純水和納米流體進行實驗。放置在散熱器中的筒形加熱器對微通道的底部壁施加恒定的熱流。結果表明與純水相比，納米顆粒進入基體流體進一步增加了自然對流效應。在相同的格拉曉夫數值下，H=1.8 mm時的自然對流換熱效果優于H=1 mm 時的自然對流換熱效果。

王少鋒等[4]通過實驗方法研究了不同比例水基Al2O3和TiO2納米流體在微通道內的流動換熱特性的實驗研究。研究結果發現不同混合比例的納米流體換熱效果均強于去離子水。在Re=305時，相較于去離子水，混合 比 例為1∶1的Al2O3-TiO2復合納米流體在折線型微通道內對流換熱系數增加了9.0%。

Duangzhongsuk和Wongwises[5]對鋸齒形微通道散熱器進行了實驗。他們研究了流道的鋸齒、雷諾數和顆粒濃度對努塞爾數和壓降特性的影響。他們發現流道的橫切鋸齒對傳熱性能的影響很小。顆粒濃度對傳熱性能有顯著影響，但對壓降無影響。

Mohammed等[6]研究了Al2O3-H2O納米流體在矩形微通道熱沉內的換熱。結果顯示:在最大熱流下，隨納米體積濃度的上升，換熱系數和壁面切應力上升，而熱阻下降。而且在最大熱流下，存在一個最佳納米顆粒體積分數，從而使得換熱系數達到最大，而壓降略有上升。

Saeed等[7]利用兩種不同體積濃度的納米流體和蒸餾水制備了三種不同通道結構的散熱器，并對其傳熱特性進行了測試。研究了通道結構、冷卻劑流量和體積濃度對對流換熱系數、基體溫度、熱阻和換熱強化比的影響。此外，采用單相和兩相模型對四種不同通道結構的微通道散熱器的熱性能和水力性能進行了數值計算。將單相和兩相模型對流換熱系數的計算結果與實驗結果進行了比較。結果表明，與蒸餾水相比，納米流體顯著提高了微通道散熱器的熱性能。翅片間距分別為1.5,1.0,0.5 mm的散熱器對流換熱系數分別提高了24.9%,27.6%,31.1%。兩相混合模型的預測與實驗模型吻合較好，而單相數值模型在對流換熱系數預測值以下。

Hedayati等[8]研究了氧化鋁/水納米流體在平行板微通道內的完全發展的強制對流，納米顆粒的體積濃度范圍為2%～6%。他們發現，不均勻的納米顆粒分布使得速度隨著較高的熱流密度向壁面移動，并提高那里的傳熱速率。此外，在微通道壁面上存在滑移速度時，納米流體的優勢得到了增強。

Sohel等[9]研究分析了納米流體(分散在水和乙二醇中的銅和氧化鋁)通過圓形微通道和小通道散熱器集中熵產生的控制方程。結果顯示，在納米顆粒的6%體積分數下，納米流體的流體摩擦熵生成率分別為38%和35%。在納米流體中，較小的納米顆粒直徑有較少的熵產生。

2 結構對微通道換熱的影響

微通道內幾何結構的調整會對換熱造成較大影響。調整幾何結構來增強換熱的目的是激發微通道內的混沌平流，最大限度地擴大冷熱流體之間的接觸面積，提高冷卻劑的電導率等，以促進傳導和對流換熱[10]。

Xi等[11]用乙二醇，乙烯研究了不同截面積的矩形旋轉微通道的流動換熱特性。微通道的水力直徑為 0.3～0.8 mm。結論顯示:旋轉微通道內，換熱系數比傳統的豎直微通道提高了50% 。而由于使用了螺旋型的結構，使得以往用于預測換熱系數的關聯式均無法使用。

Chai等[12]用模擬研究了微通道中扇形孔洞對流動的影響。結果顯示:由于增加的換熱表面的作用，提高了換熱性能，同時周期性的熱發展也提高了換熱性能，而噴射和節流作用也增加了壓降。而在孔洞上的滑移減少了壓降，但是也減少了換熱。

Tan等[13]研究了微通道拓撲結構對芯片冷卻傳熱性能的影響。首先，設計了4種拓撲結構，包括三葉脈、側葉脈、雪花狀和蛛網狀。然后采用流體-熱耦合數值模擬的方法，結果表明，在這些結構中，蛛網微通道的傳熱性能最好。進一步優化了蛛網微通道的幾何參數。最后，利用3D打印技術制作了直線微通道和蛛網微通道，并進行了實驗。實驗結果表明，蜘蛛網微通道的傳熱性能優于直道，在100 W/cm2的熱流中，最大熱源溫度差達到9.9度。驗證了微通道的拓撲結構對其傳熱性能有重要影響，尤其是在高熱流密度下。

Ghahremannezhad等[14]綜合分析了多孔襯底對雙層微通道散熱器熱性能和水力性能的影響。對多孔雙層微通道散熱器的熱阻和泵浦功率進行了評估，發現與傳統微通道散熱器相比，多孔雙層微通道散熱器在需要更低泵浦功率的情況下，能夠改善傳熱。通過建立多孔微通道散熱器的三維模型，對其頂部和底部具有不同厚度的固體和多孔翅片，對耦合傳熱進行了數值模擬。結果表明，對于雙層微通道散熱器的每一組幾何參數組合，都能找到一種優化的多孔雙層微通道散熱器，提高其熱性能和水力性能。在不同雷諾數、基體孔隙率和吸熱材料的范圍內，驗證了多孔雙層微通道的優越性能。

Bayrak等[15]的研究發現，局部通道修正可以保證沿中線流動與近壁區域的流體混合。因此，與無腔肋微通道散熱器相比，這種情況大大提高了微通道散熱器的傳熱性能。然而，旋渦明顯發生在空腔內。雖然這一現象有利于對稱腔肋的傳熱增強，但對于非對稱腔肋由于再循環區域密集，其傳熱增強效果相反。結果表明，由于對稱腔肋具有明顯的射流節流效應和方便的縱向和橫向渦，其熱性能最好，因此非對稱空腔是基線壁面上的最佳均勻溫度分布。

Hajmohammadi等[16]研究了微流體對微通道散熱器傳熱強化和優化設計的影響。通過假設滑移邊界條件，給出微尺度通道散熱器的最優幾何結構。對微通道散熱器內部的三維流體流動和傳熱現象進行了數值模擬，將滑移邊界條件下的優化結果(最優幾何參數和最小熱阻)與無滑移條件下的優化結果進行了比較。與無滑移邊界條件相比，滑移極大地降低了微通道的最小熱阻，改變了微通道的最優數目和最優展弦比等幾何設計點。

Gouda等[17]通過實驗研究了分段翅片微通道結構表面的池沸騰傳熱特性，并與均勻截面微通道結構表面和平面進行了性能比較。結果表明，兩種結構表面的傳熱性能均優于平面。經觀察，分段翅片結構表面的換熱系數提高了3倍，而均勻結構表面的換熱系數提高了2倍。因此，與其他兩種表面相比，分段翅片微通道結構具有更好的傳熱性能。分段翅片構型熱傳遞改善的原因可能是活化成核位點較多，再潤濕現象較好，氣泡生長和釋放機制較好。

徐國強等[18]提出了新型的Y形構微通道換熱器，研究了Y形構幾何參數對換熱效果的影響。結果顯示,換熱器溫度場隨Y形換熱器角度增大而變的均勻，并且在角度為60°時有最佳的換熱性能。

龔亞等[19]以超臨界二氧化碳為工質，通過模擬的方法研究了箭魚形翅片換熱器的翅片設計對換熱效果的影響。結果表明，箭魚形與折線形相比，雷諾數越大其換熱效率越好。箭魚形換熱器的沿程阻力有顯著減小，并且給出了最佳換熱效果的翅片排列。

總的來說，這些結構的傳熱均得到了增強。然而，對于每種類型的內部結構，有必要考慮形狀、尺寸以及密度對傳熱的影響，以找到最佳設計。此外，由于現有的研究通常集中在單一類型的結構上，因此很難確定哪一種結構是最佳的。對不同結構形式的內部結構進行全面的研究和比較，對工業應用具有更重要意義。

3 總結

微通道換熱器具有潛在的應用前景，在過去的幾十年里，人們對納米流體和結構增強傳熱的方法進行了大量的研究。結論如下：

(1)納米流體的導熱系數取決于納米顆粒的直徑、材料、體積分數和體積溫度等多種因素。通常，通過納米流體增加冷卻劑的導熱系數有助于提高傳熱系數(h)。但是，在微通道中處理納米顆粒時，也存在著一些問題，如粘附性、輸運行為和顆粒吸附等，這些都是其應用中需要解決的問題。

(2)微結構下流體工質在微通道換熱微槽道內的流動阻力和換熱特性在大多數情況下和常規槽道存在差異性。除此之外，對于微通道截面形狀、結構尺寸的優化分析也沒有統一的結論。