单相液体微槽散热研究进展

　　自1948年半导体器件问世以来，电子元器件微型化和集成技术迅速发展，电子设备功率密度不断增加。以微处理器芯片的发展为例，随着芯片体积的微型化，线宽迅速下降，芯片表面热流密度已超过106W/cm2.而元器件的失效率随着器件温度的上升呈指数规律上升，器件在70*C~80*C水平上每升高1*C，其可靠性降低5.传统的冷却手段已不能满足未来先进电子元器件（如高功率微波、毫米波器件及机载、星载电子设备等）的散热要求。解决高热流密度电子元器件的散热问题需要新的突破。

　　20世纪80年代中期美国学者Tuckerman和Pease提出“微槽散热器”以来，微尺度流动和传热现象一直是国际电子学界和传热学界研究的热点。目前，微槽散热器已在超大规模集成电路、超导电机和制冷方面得到应用。随着现代电子技术和MEMS技术的发展，微槽传热和冷却技术将在电子、航天、制冷、化工及生物工程等领域得到越来越广泛的应用。基金项目：国家自然科学基金资助项目（50676007）（Theprojectwassupported微槽散热器具有如下特点：1）结构简单，研究较多的矩形、三角形、梯形和圆形截面微通道，采用线切割或化学腐蚀的方法即可加工得到；2）体积小，可直接作用于毫米甚至微米级的热源位置；3）换热效率高，由于微通道具有高的表面积体积比，故热阻低，又可直接作用于热源位置，因此换热效率高；4）流体主要呈层流状态。

　　与传统热沉相比，单相微槽散热器具有轴向温度梯度高的缺点。由于电子设备产生的大部分热量由较少的冷却液带走，使得冷却液温升较大，从而在热扩散系数不同的封装系统内产生热应力，降低了器件的可靠性。此外温度梯度高对电子元器件的性能也会产生影响。两相微槽热沉可以解决流体温升大的问题。与单相热沉相比，两相流系统需要的体积流率小，但也要较高的压头来驱动汽泡在微槽中流动。此外，两相流系统还存在一个潜在的危险：未冷凝汽泡有可能进入到微泵，从而导致气体阻塞，因此在可靠性要求极高的航空航天领域受到了限制。

　　这里只对单相液体微槽热沉的研究进展进行回顾，重点对微槽流动与传热研究、微槽流动与传热特性影响因素的研究、微槽冷却系统设计与优化研究进行介绍。

　　1微槽流动与传热研究对平直微槽进行了初步的实验研究。他们采用化学腐蚀法在lcm2的桂片上加工了宽0.05mm，深0.302mm的矩形微槽，槽道间隔0.05mm.对尺e =291~638范围内水的流动和换热进行了实验研究。芯片温度保持在110*C以下时，热流密度达到了790W/cm2.他们的开创性研究为强化换热指出了一条新思路。

　　的流动和传热进行的实验研究表明，微槽中流体流动摩擦因子较常规尺度关联式预测值小，而Nu数则比Dittus-Boelter关联式预测值大。对水在当量直径404m~550m的矩形槽和三角形槽内的流动和换热实验研究表明，微槽换热明显强于常规尺度槽道，而流动阻力低于常规尺度槽道。

　　对水力直径1.6pm和3.4叫的梯形微槽道中异丙醇、水在Ae=50~300范围内的流动进行了研究，发现微槽道摩擦因子比常规尺度理论预测值小，Po（/*）数随着心数增加而减小。

　　不锈钢矩形微槽中的流动和传热进行的实验研究表明，微槽摩擦因子较常规尺度关联式预测值大，而Nu数则较常规尺度关联式预测值小。对水在内径50pm~254pm圆截面微管流动压降的实验研究表明，直径大于150pm管道中压降与经典理论预测值基本一致，而小管径管道中的压降高于常规尺度预测值，而且随着Ae的增加，偏差越来越大。采用精心设计的实验装置对去离子水在矩形微槽中的流动阻力损失和传热特性进行了实验研究。该装置可实现微槽深度0.1mm~1mm范围的调节，水力直径为0.2mm~1.2mm.研究表明槽道深度大于0.4mm，即水力直径大于787pm时，摩擦系数和局部Nu数与经典流体力学和传热学定律相符，而深度小于0.4mm时，Nu数有明显的减小，Po数与经典理论相符。

　　和0.73mmX0.72mm两种矩形通道中R134a的流动阻力和传热特性进行了实验研究。他们的实验结果与常规尺度关联式预测结果一致。对去离子水在宽为0.194mm~0.534mm，深宽比为5的矩形截面微槽中的传热特性进行了研究，他们的实验结果和采用连续性假设的数值计算相一致。

　　（水力直径325pm）的聚二甲硅氧烷（PDMA）微通道中去离子水从层流向湍流的转捩进行了实验研究。实验表明，Ae=1535是层流向湍流过渡的起点，而达到湍流完全发展时Ae =26302853，比宏观尺度下层流向湍流的过渡稍有提前。之后，采用同一微粒子图像测速仪对水力直径200pm~640pm微通道中去离子水流动的系统实验表明，层流向湍流的过渡始于Ae =1718~1885，达到完全发展湍流时Ae=2600~2900，与宏观尺度下的结论基本一致。对直径16.6pm~32.2pm微管中水从层流向湍流的过渡进行了实验研究。文中采用两种独立的判据得到临界Ae数与经典层流向湍流过渡的Ae―致，即：Aec行了数值模拟研究。采用经典肋分析法对微槽和槽道固壁中的对流和导热进行了耦合计算，这两种传热方式采用流固界面温度和热流的连续性进行耦合。研究表明，固壁和槽道中流体的温度分布近似为线性分布。经典肋分析法虽然可以方便的对微槽道传热建立数学模型，但其主要假设与实际情况存在较大偏差，故该方法在精度上存在不足。

　　维和3维的数值模拟研究，重点考察了进口段效应和对流/导热耦合效应的影响。数值计算表明，连续性模型对微通道的计算与实验数据相一致，是适用的；改变微通道的间隔未观察到尺度效应；热进口段效应与Ae数和槽道间隔有关。

　　综上所述，微槽流动与传热的研究结果差异非常大，在与常规尺度的定性对比尚存在完全相反的结论。这是由于影响微槽流动与传热的因素较复杂，同时微尺度下实验参数测量存在若干困难：1）质量流率小，难以测量；2）压力和温度的逐点测量困难，迄今很少有从实验得到压力连续分布的数据，而且微槽尺寸和形状很难刻画，而了解和刻画微槽道的尺寸对于准确评估槽道传热和摩擦阻力特性相当重要。同时各个研究者所用材料和工质各异，这使得不同作者实验数据相差较大。

　　跟踪微尺度研究的进展还可以发现，无论流动特性、传热特性还是转捩特性，与常规尺度定性对比一致的研究结果较多的出现在近期的研究中。

　　这与实验研究的技术进步有关，也涉及在什么样的尺度下微尺度效应才对流动和传热起主要作用。由于实验研究的困难，数值模拟研究对于深入认识微槽中的流动和传热特性有着重要意义，而数值模型的建立正确与否还需要实验的验证。因此，要得到微槽流动和传热特性的规律还需要做更多的工作，其中对微槽中流动与传热特性的影响因素进行针对性研究是回答上述问题的必要手段。

　　2微槽流动与传热影响因素分析对微槽流动与传热影响因素的研究，随着微槽与经典流体力学和传热学预测结果存在差异的报道而受到人们的广泛关注。许多学者对各种可能的影响因素进行了深入研究，这些研究无疑进一步加深了人们对微槽流动与传热特性的认识。

　　由于微槽表面积/体积比增大，与表面有关的效应对微尺度流动和传热的影响显著增强。特征尺度减小而使微槽中影响流动和传热的主导因素的相对重要性产生变化。液体单相流动中，这些因素包括：表面相对粗糙度的增大，粘性力的影响，表面电特性的影响等。

　　动和传热的影响由流体物性和槽道尺度决定。EDL对流动和传热的影响表现为，使临界Re数降低，并引发“跨越转捩”的快速完成，对摩擦因子的影响不明显。当槽道特征尺度在50m以下时，必须考虑电双层效应的影响，而特征尺度在100m以上时，电双层效应的影响可忽略不计。

　　化对流动和换热特性的影响进行了研究。层流流动中，Re数低而热流高，使得流体物性沿微槽轴向和径向都存在很大梯度。流体物性的变化引发了微对流中呈现一些新的物理效应：1）粘度变化引起的径向速度分布的变化；2）热导率变化引起的轴向导热。与轴向速度相比，径向速度虽小，但其引发的径向对流效应仍很明显。

　　进行了全面的分析。由于微槽尺度的减小，相对表面粗糙度已超过5 ，而将来微槽尺度进一步减小必然使表面粗糙度的影响更加明显。文中提到采用三维特征来评估表面粗糙度将成为必然。对微管中表面粗糙度对传热的影响进行了分析研究。选择相对粗糙度作为微尺度下的一个关键参数，用多孔介质模型来表征粗糙度，对完全发展层流下的流动和换热进行了研究。对表面粗糙层区与主流区的导热比、伪多孔介质层达西数及相对表面粗糙度对温度分布和Nu数的影响进行了讨论，指出：表面粗糙度对传热的影响要比对动量传递的影响小，在同样的相对表面粗糙度下影响传热的重要的参数是表面粗糙层区与主流区的导热比，在高Pr数低导热比的微管中，热扩散对传热有重要影响。

　　影响进行了实验研究。液体接触角对滑移流和压降的影响已有实验证实，滑移流可明显降低摩擦压降，从而减小功耗。滑移可能在润湿性差的表面、粗糙表面、剪应力较高的表面出现，因此微通道中滑移将是一个重要因素。滑移在微槽传热中很重要的另一个原因是，温度的升高可能引起大的滑移速度。滑移使流动阻力损失减小，同时会降低传热系数。

　　综述，对公开发表中关于压降的实验报道进行了深入分析，对150篇直接涉及微通道压降测量的槽道结构参数测量、表面粗糙度测量等方面的分析，对微槽中压降与传统尺度下流动压降的偏差进行了解释。指出剔除进出口及发展段流动的影响，微槽中摩擦因子与传统尺度摩擦因子是一致的。分析的结果中槽道水力直径为8m~990m，Re数为0.002~5000.指出实验不确定度在微槽换热器中的影响很大，实验数据分析中必须予以充分考虑，同时进出口和发展段流动的压力损失必须进行仔细校正，再加上微槽结构参数的测量则可以得到准确的摩擦因子，该值将与大尺度下理论预测值相一致。

　　述，对微通道流动摩擦因子、转捩问题和传热特性进行了分类研究，对繁多的进行了整理，按照可能的影响因素进行了分类。按照时间顺序排列可以看出微槽流动和传热与大尺度下的偏差在减小，这可以认为是微加工技术的进步使得微槽截面和表面状况得到改善，或者实验技术的进步使得测量结果更加准确。虽然总的趋势是偏差在减小，但还不能忽略尺度减小所诱发的各种效应的影响。微槽中的流动与传热规律是否与大尺度下的情况相同还有待于进一步证实。

　　湍流的转捩以及微槽中传热特性的实验与理论和数值计算等进行了综述。对水力直径1.01m~4010m的圆形、矩形、三角形、梯形截面微槽中的压降、层流向湍流转捩进行了分析，着重对近十年发表的中的实验数据和常规尺度下理论预测值进行了比较。认为微槽中流体流动摩擦因子与常规尺度预测存在偏差的可能原因有：1）实验实际条件与理论假设的偏差；2）测量误差；3）特征尺度减小引起的各种效应。粗糙度较大的实验中同样数下摩擦因子较大，同时层流向湍流转捩数较小。虽然根据广为接受的水力光滑管定义，大多实验条件都是接近光滑的，但用单一参数表征的粗糙度不能客观反映其表面状况或许是出现偏差的原因。综合这些实验结果和理论分析，认为水力直径15m~4010m的微槽，实验与理论相当一致，完全发展层流流动中Po数与Ae数无关。直径大于50m的微槽中流体流动与常规尺度的流动规律相同，在相对粗糙度为0.32~7的微槽中层流向湍流的过渡Ae=1800~2200，与常规尺度相同。

　　角形、矩形、梯形微槽传热特性的实验与理论研究进行了分析，着重对近十年发表的中的实验数据与常规尺度的传热预测进行了比较，对槽道结构、轴向热传导、能量耗散的影响进行了讨论。在对微槽传热数值计算的分析中指出微槽传热具有明显的三维特性。在实验分析和数值计算中需要考虑进口段效应的影响，尤其在层流流动条件下。界面效应和粗糙度的影响是需要进一步研究的问题。

　　综上所述，随着实验测量手段的改善和理论分析的深入，越来越多的学者认识到，在50微米以上的尺度下，微尺度效应对流动和传热的影响并不显著，微槽液体单相流动和传热可以用经典N-S方程和能量方程进行描述。对微槽流动与传热特性的影响因素进行进一步的研究则对揭示微尺度效应的机理有重要意义。这些影响因素将伴随着微尺度的减小而凸显出来，必将得到研究者的重视。

　　3微槽散热器设计与优化研究随着对微槽散热技术的发展，微槽散热器得到了越来越多的应用。而在微槽散热器的应用研究中，系统的匹配与优化是很重要的一方面。对微槽散热器的结构进行优化，可为微槽散热系统提供性能优良的散热部件，而对微槽散热系统设计、匹配进行研究将为该系统的应用推广提供技术支撑。

　　研究。文中采用简化三维耦合模型（二维流体流动结合三维传热模型）对硅基微槽热沉进行了详细的数值模拟，以研究各结构参数的影响，从而实现微槽结构优化。该模型与已发表的实验数据基本吻合。对宽0.02mm~0.22mm，深0.1mm~0.4mm不同结构参数下硅基微槽进行了研究，在泵功为常数的假设下，分析了结构参数对微槽热沉温度分布的影响。研究表明，微槽结构参数和基体的热物理属性都是重要的设计和优化参数。对硅基微槽道，采用水为冷却工质时，矩形截面优化的配置方案为每厘米120个槽道以及尽可能大的深宽比。

　　研究。介绍了两种方法实现对微槽结构参数的优化：1）CFD技术结合分析法进行参数优化；2）多目标遗传算法结合CFD技术进行参数优化。微槽散热器中的压降和传热性能要做适当的权衡。

　　熵传递进行了分析研究，在忽略横向流体温度变化的简化条件下，采用热力学、第二定律建立了熵产和熵传递的集总模型，对微通道中的流动和传热进行了优化研究。在简化假设下熵产率只依赖于沿流动方向的温度分布，因此微槽中小熵产率的温度分布即等同于沿流动方向一维导热过程中的温度分布，即线性分布。

　　统设计方法进行了介绍。该系统主要部件包括：微槽散热器，风扇，微泵等。采用肋分析法结合CFD技术对微槽进行了设计和优化。首先采用肋分析法对冷板建立CFD模型，预测微槽冷板的压力损失和热特性，接着对冷板和散热器之间的热阻进行计算。系统采用铝管进行管路连接，接头处使用真空铜焊。对系统进行测试的结果表明冷板的热阻是液体流速和Pr数的函数。

　　究。微槽中为层流流动，而系统其他部分多为湍流流动，这给冷却系统的设计带来了困难。对微槽部分采用有限体积法进行计算，而对系统的研究则采用流体网络模型进行分析。采用商业软件包COMPACT对微槽建立了三维耦合传热模型，并进行求解。CFD的计算结果包括压力分布、流场速度分布和温度分布。微槽液体冷却系统还包括泵、换热器和连接管道等，对整个系统进行CFD模拟将是一件费时费力的事，而将各部件的特征采用流体网络元件进行模拟则为设计提供了方便，因此流体网络模型被用来进行系统设计是非常方便的。流体网络模型为获得系统级流动和传热提供了一种有效的方法。

　　在微槽单相液体散热强化研究中值得注意的是，传统尺度下强化换热的措施正被应用到微槽中以进一步提高换热系数。如在微槽中加入扰流体，螺旋结构微槽、涡旋结构微槽等。特别的，由于螺旋/涡旋微槽中流体流动受到离心力的作用，具有适应过载加速度环境下散热的潜力，对航空航天电子设备散热具有重要意义，该领域的研究必将受到更多的关注。

　　4结论由于单相液体微槽散热器较两相微槽散热器可靠性更高，同时可实现高热流密度换热，对其进行进一步研究具有重要的学术和现实意义。微槽流体流动与传热特性的研究是微槽散热器技术的核心，技术的发展为该领域研究提供了更好的实验和数值研究条件。对各影响因素的研究为揭示微槽流动和传热特性提供理论指导。随着研究材料的积累，在不久的将来必将获得对实际工程应用具有指导意义的结果。同时在微槽散热器工程应用中，系统匹配和优化研究必将引起更多的关注，而进一步提高单相液体微槽散热器散热能力的研究以及对弯曲槽道如螺旋/涡旋微槽的研究也必将引起更多学者的关注。