微通道强化换热研究进展

孙亚松，刘红敏

(上海海事大学 商船学院,上海 200135)

随着微电子机械系统、微型卫星等各种新型微型仪器的发展，高度集成化导致的散热问题日益凸显。微通道换热器[1]因其重量轻、比表面积大等优点而成为最实用的选择。目前，对于微通道散热的研究主要集中在流动工质、微道结构两个方面，研究者的研究都被分为三类:实验研究、分析研究和数值研究。研究者在不同的工况下，就以上方面和方法对芯片微通道散热器换热及流动特性进行了研究，在一定程度上改善了芯片的散热性能，促进了电子芯片的进一步集成化发展。

1 纳米流体对微通道换热的影响

纳米流体是指粒径在100 nm以内，热导率比基础液体高一个数量级的液体悬浮液或分散体。它们具有显著的高导热系数和良好的长期稳定性和流变性，对传热有很大的优势。大量研究显示纳米流体有较好的换热效果。

周建阳等[2]为了全面研究纳米颗粒浓度对纳米流体传热和压降的影响，采用超声振动法制备了0.05%～0.4%的均匀稳定的Al2O3/R141b纳米流体。对微型换热器进行了正交试验和单因素试验。同时，采用多指标综合评价方法和均匀性方差检验，综合评价了纳米颗粒浓度对纳米流体流动沸腾传热和压降的影响。结果表明，纳米颗粒浓度对Al2O3/R141b的传热性能有显著影响，随着纳米颗粒浓度的增加，其传热性能呈非线性。考虑到纳米粒子浓度对传热和压降的影响，采用熵值法得到纳米粒子对压降和传热的影响权重分别为0.715,0.285。基于多指标综合评价法得出纳米流体颗粒浓度为0.2%，其中纳米流体的传热系数最佳，压降最小。

Manay[3]研究了铁素体基(Fe2O3·NiO)纳米流体在多微通道散热器中的混合对流换热特性进行实验研究。两个矩形交叉切割微通道散热器有两个不同高度H=1,1.8 mm,宽度300 μm。将铁基纳米颗粒以0.25%和0.5%的两种不同体积比悬浮于纯水中，分别对纯水和纳米流体进行实验。放置在散热器中的筒形加热器对微通道的底部壁施加恒定的热流。结果表明与纯水相比，纳米颗粒进入基体流体进一步增加了自然对流效应。在相同的格拉晓夫数值下，H=1.8 mm时的自然对流换热效果优于H=1 mm 时的自然对流换热效果。

王少锋等[4]通过实验方法研究了不同比例水基Al2O3和TiO2纳米流体在微通道内的流动换热特性的实验研究。研究结果发现不同混合比例的纳米流体换热效果均强于去离子水。在Re=305时，相较于去离子水，混合 比 例为1∶1的Al2O3-TiO2复合纳米流体在折线型微通道内对流换热系数增加了9.0%。

Duangzhongsuk和Wongwises[5]对锯齿形微通道散热器进行了实验。他们研究了流道的锯齿、雷诺数和颗粒浓度对努塞尔数和压降特性的影响。他们发现流道的横切锯齿对传热性能的影响很小。颗粒浓度对传热性能有显著影响，但对压降无影响。

Mohammed等[6]研究了Al2O3-H2O纳米流体在矩形微通道热沉内的换热。结果显示:在最大热流下，随纳米体积浓度的上升，换热系数和壁面切应力上升，而热阻下降。而且在最大热流下，存在一个最佳纳米颗粒体积分数，从而使得换热系数达到最大，而压降略有上升。

Saeed等[7]利用两种不同体积浓度的纳米流体和蒸馏水制备了三种不同通道结构的散热器，并对其传热特性进行了测试。研究了通道结构、冷却剂流量和体积浓度对对流换热系数、基体温度、热阻和换热强化比的影响。此外，采用单相和两相模型对四种不同通道结构的微通道散热器的热性能和水力性能进行了数值计算。将单相和两相模型对流换热系数的计算结果与实验结果进行了比较。结果表明，与蒸馏水相比，纳米流体显著提高了微通道散热器的热性能。翅片间距分别为1.5,1.0,0.5 mm的散热器对流换热系数分别提高了24.9%,27.6%,31.1%。两相混合模型的预测与实验模型吻合较好，而单相数值模型在对流换热系数预测值以下。

Hedayati等[8]研究了氧化铝/水纳米流体在平行板微通道内的完全发展的强制对流，纳米颗粒的体积浓度范围为2%～6%。他们发现，不均匀的纳米颗粒分布使得速度随着较高的热流密度向壁面移动，并提高那里的传热速率。此外，在微通道壁面上存在滑移速度时，纳米流体的优势得到了增强。

Sohel等[9]研究分析了纳米流体(分散在水和乙二醇中的铜和氧化铝)通过圆形微通道和小通道散热器集中熵产生的控制方程。结果显示，在纳米颗粒的6%体积分数下，纳米流体的流体摩擦熵生成率分别为38%和35%。在纳米流体中，较小的纳米颗粒直径有较少的熵产生。

2 结构对微通道换热的影响

微通道内几何结构的调整会对换热造成较大影响。调整几何结构来增强换热的目的是激发微通道内的混沌平流，最大限度地扩大冷热流体之间的接触面积，提高冷却剂的电导率等，以促进传导和对流换热[10]。

Xi等[11]用乙二醇，乙烯研究了不同截面积的矩形旋转微通道的流动换热特性。微通道的水力直径为 0.3～0.8 mm。结论显示:旋转微通道内，换热系数比传统的竖直微通道提高了50% 。而由于使用了螺旋型的结构，使得以往用于预测换热系数的关联式均无法使用。

Chai等[12]用模拟研究了微通道中扇形孔洞对流动的影响。结果显示:由于增加的换热表面的作用，提高了换热性能，同时周期性的热发展也提高了换热性能，而喷射和节流作用也增加了压降。而在孔洞上的滑移减少了压降，但是也减少了换热。

Tan等[13]研究了微通道拓扑结构对芯片冷却传热性能的影响。首先，设计了4种拓扑结构，包括三叶脉、侧叶脉、雪花状和蛛网状。然后采用流体-热耦合数值模拟的方法，结果表明，在这些结构中，蛛网微通道的传热性能最好。进一步优化了蛛网微通道的几何参数。最后，利用3D打印技术制作了直线微通道和蛛网微通道，并进行了实验。实验结果表明，蜘蛛网微通道的传热性能优于直道，在100 W/cm2的热流中，最大热源温度差达到9.9度。验证了微通道的拓扑结构对其传热性能有重要影响，尤其是在高热流密度下。

Ghahremannezhad等[14]综合分析了多孔衬底对双层微通道散热器热性能和水力性能的影响。对多孔双层微通道散热器的热阻和泵浦功率进行了评估，发现与传统微通道散热器相比，多孔双层微通道散热器在需要更低泵浦功率的情况下，能够改善传热。通过建立多孔微通道散热器的三维模型，对其顶部和底部具有不同厚度的固体和多孔翅片，对耦合传热进行了数值模拟。结果表明，对于双层微通道散热器的每一组几何参数组合，都能找到一种优化的多孔双层微通道散热器，提高其热性能和水力性能。在不同雷诺数、基体孔隙率和吸热材料的范围内，验证了多孔双层微通道的优越性能。

Bayrak等[15]的研究发现，局部通道修正可以保证沿中线流动与近壁区域的流体混合。因此，与无腔肋微通道散热器相比，这种情况大大提高了微通道散热器的传热性能。然而，旋涡明显发生在空腔内。虽然这一现象有利于对称腔肋的传热增强，但对于非对称腔肋由于再循环区域密集，其传热增强效果相反。结果表明，由于对称腔肋具有明显的射流节流效应和方便的纵向和横向涡，其热性能最好，因此非对称空腔是基线壁面上的最佳均匀温度分布。

Hajmohammadi等[16]研究了微流体对微通道散热器传热强化和优化设计的影响。通过假设滑移边界条件，给出微尺度通道散热器的最优几何结构。对微通道散热器内部的三维流体流动和传热现象进行了数值模拟，将滑移边界条件下的优化结果(最优几何参数和最小热阻)与无滑移条件下的优化结果进行了比较。与无滑移边界条件相比，滑移极大地降低了微通道的最小热阻，改变了微通道的最优数目和最优展弦比等几何设计点。

Gouda等[17]通过实验研究了分段翅片微通道结构表面的池沸腾传热特性，并与均匀截面微通道结构表面和平面进行了性能比较。结果表明，两种结构表面的传热性能均优于平面。经观察，分段翅片结构表面的换热系数提高了3倍，而均匀结构表面的换热系数提高了2倍。因此，与其他两种表面相比，分段翅片微通道结构具有更好的传热性能。分段翅片构型热传递改善的原因可能是活化成核位点较多，再润湿现象较好，气泡生长和释放机制较好。

徐国强等[18]提出了新型的Y形构微通道换热器，研究了Y形构几何参数对换热效果的影响。结果显示,换热器温度场随Y形换热器角度增大而变的均匀，并且在角度为60°时有最佳的换热性能。

龚亚等[19]以超临界二氧化碳为工质，通过模拟的方法研究了箭鱼形翅片换热器的翅片设计对换热效果的影响。结果表明，箭鱼形与折线形相比，雷诺数越大其换热效率越好。箭鱼形换热器的沿程阻力有显著减小，并且给出了最佳换热效果的翅片排列。

总的来说，这些结构的传热均得到了增强。然而，对于每种类型的内部结构，有必要考虑形状、尺寸以及密度对传热的影响，以找到最佳设计。此外，由于现有的研究通常集中在单一类型的结构上，因此很难确定哪一种结构是最佳的。对不同结构形式的内部结构进行全面的研究和比较，对工业应用具有更重要意义。

3 总结

微通道换热器具有潜在的应用前景，在过去的几十年里，人们对纳米流体和结构增强传热的方法进行了大量的研究。结论如下：

(1)纳米流体的导热系数取决于纳米颗粒的直径、材料、体积分数和体积温度等多种因素。通常，通过纳米流体增加冷却剂的导热系数有助于提高传热系数(h)。但是，在微通道中处理纳米颗粒时，也存在着一些问题，如粘附性、输运行为和颗粒吸附等，这些都是其应用中需要解决的问题。

(2)微结构下流体工质在微通道换热微槽道内的流动阻力和换热特性在大多数情况下和常规槽道存在差异性。除此之外，对于微通道截面形状、结构尺寸的优化分析也没有统一的结论。