微通道散热器国内外研究现状
时间:2017-06-21 00:01 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 散热器的工质通过的水力学直径从管片式的10~50mm，板式的3~10mm，不断发展到小通道的0.6~2mm，微通道的10~600μm，这既是现代微电子机械快速发展对传热的现实需求，也是微通道具有的优良传热特性使然。微通道技术同时触发了传统工业制冷、汽车空调、家用空调等领域提高效率、降低排放的技术革新。10400 微通道换热器的工程背景来源于20世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。1981年，Tuckerman和Pease提出了微通道散热器的概念；1985年，Swife，Migliori和Wheatley研制出了用于两流体热交换的微通道换热器。随着微制造技术的发展，人们已经能够制造水力学直径10~1000μm通道所构成的微尺寸换热器。1986年Cross和Ramshaw研制了印刷电路微尺寸换热器，体积换热系数达到7MW/(m3•K)；1994年Friedrich和Kang研制的微尺度换热器体积换热系数达45MW/(m3•K)；2001年，Jiang等提出了微热管冷却系统的概念，该微冷却系统实际上是一个微散热系统，由电子动力泵、微冷凝器、微热管组成。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器，可实现主动冷却，支持高密度热量电子器件的高速运行。 20世纪50年代末，著名的物理学家Richard Feynman曾预言微型化是未来科学技术的发展方向。换热器作为化工过程机械的典型产品，是工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制药等工业部门及国防工程中。其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右，在化工机械生产中占有重要的地位。如何提高换热器的紧凑度，以达到在单位体积上传递更多的热量，一直是换热器研究和发展应用的目标。器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步，也推动了更加高效、更加小型化的微通道换热器(micro- channel heat exchanger)的诞生。 1.2.2 微通道散热器目前存在的问题 在冷却方面，传统的主动式散热风冷、液冷、利用热管、半导体制冷、化学制冷都是有各自的优势，但是微通道冷却技术才是目前对大热流密度器件进行散热的最好方式，微通道最大的特点就是尺度的细微化，爱因斯坦曾预言过“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军”[4]。但是尺度微化后，其流动和传热规律已不同于宏观条件下的流动和传热，连续介质假设和N-S方程等宏观概念都不再完全适用[5]，液体在微通道内的流动特性还不能被人们完全掌握，这就是微通道冷却发展的一个很大问题。现在很多研究学者认为对微通道进行流动、传热实验研究是微通道散热器发展的必经之路，应当首先关注这些方面的研究，综合调研微通道散热器的制备和研究方面的成果。 Skidmore[5]于2000年提出了针对激光二极管的硅微通道散热器，其通道是由硅基体各向异性刻蚀形成的高深宽比硅微结构。它与硅酸盐玻璃分水板键合构成。王中俭等[6]研究了半导体玻璃微通道板的制造工艺，通过单丝和复丝的拉制，排丝、压屏、切割和酸溶等过程，最终获得了直径为20mm。孔径6~7μm，像素大于400万的半导体电导玻璃微通道板的雏形。研究者们对于硅和玻璃多选用腐蚀工艺进行加工，这样做出的材料更加耐热，而且能够通过加工出的一些小孔进行更好的散热，但是还是无法选择更加出色的材料能够直接具有良好的散热效果。 程婷等[7]设计了基于蜂窝状微通道散热器的散热系统。其系统实验表明，当17cm 2的微通道散热器在系统内流体流量为13.3ml/s时，可带走发热源约233.63W的热量，同事微通道散热器工质能文持在52摄氏度上下。乔治亚科技学院的研究人员研制了内置微型管道，能够输送液态冷却剂的半导体器件。这种微型管道能够承受的压力超过25psi，计算表明可以达到芯片100W/cm2的冷却效果。其散热能力取决于冷却剂的流速和压力，直径越小越密的微型管道具有更高的热传导效率。由此可见，国内外的学者对于微通道的研究大多都是研究通道内工质流动换热，由于不同国家散热器先进程度差异较大，而且结构也不同，所以研究结果区别也不少。 (责任编辑：qin) |