鋸齒形微通道散熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究*

李志斌，彭 毅，楊 雄

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

大規(guī)模集成電子設(shè)備的相繼出現(xiàn)，電子元器件的發(fā)熱問題日益嚴(yán)重，極大影響了電子設(shè)備的工作性能和工作壽命。面對高熱流密度的電子設(shè)備，傳統(tǒng)的散熱方式已難以滿足其散熱需求，新型的高效散熱設(shè)備[1-3]已成為當(dāng)下人們的研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]于1981年首次提出微通道散熱器。通過在硅表面加工矩形微通道，以水為工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了790W/cm2的散熱量。從此，微通道散熱器的提出給散熱領(lǐng)域提供了新的思路。文獻(xiàn)[2]仿生設(shè)計(jì)出一種葉脈分形網(wǎng)絡(luò)的分級結(jié)構(gòu)，并研究了該分形結(jié)構(gòu)對流體的傳熱性能和水力性能的影響，結(jié)論顯示分級結(jié)構(gòu)在傳熱中的作用至關(guān)重要。矩形微通道在研究中最為常見，但也有學(xué)者對圓形、三角形、梯形微通道[3]也進(jìn)行了相應(yīng)研究，如文獻(xiàn)[4]對這三種微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明水力直徑小的微通道具有更好的均溫性和換熱效果。文獻(xiàn)[5]對比了直矩形微通道、單通道、雙通道和三通道以及蛇形微通道的傳熱性能，研究結(jié)果顯示單路徑的蛇形微通道具有更高的努塞爾數(shù)和更低的熱阻。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了蜂窩狀的微通道散熱器，在13.3 ml/s的體積流量下，面積為17 cm2的蜂窩微通道散熱器可實(shí)現(xiàn)233.63 W的換熱量。此外，也有學(xué)者設(shè)計(jì)出相互連通的微通道，例如分形微通道，六邊形連接的微通道[7]等。文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)構(gòu)顯示，在總流量相同時(shí)，具有雙層結(jié)構(gòu)的微通道散熱器比單層結(jié)構(gòu)的微通道散熱器更優(yōu)異的換熱性能。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種具有三角凹穴周期性變截面的微通道散熱器，其傳熱性能優(yōu)于矩形的等截面直通道散熱器。文獻(xiàn)[10]利用數(shù)值計(jì)算方法對鋸齒形微通道和蛇形微通道組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)散熱器進(jìn)行了研究。本文將從實(shí)驗(yàn)角度研究該散熱器的水力性能和傳熱性能。綜合來看，人們對直微通道散熱器進(jìn)行了大量研究，除了少數(shù)鋸齒形微通道散熱器和波浪形散熱器以外，很少對鋸齒形微通道和蛇形微通道組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該復(fù)合型散熱器中，鋸齒形微通道起主流作用，蛇形微通道起分流作用；以去離子水為工質(zhì)，通過壓降研究鋸齒角度對水力性能的影響；通過熱阻和傳熱系數(shù)研究鋸齒角度對傳熱性能的影響。

1 模型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 兩種鋸齒形微通道散熱器

本文所研究的銅質(zhì)鋸齒形微通道底板由數(shù)控機(jī)床加工而成，如圖1所示。圖2所示的銅質(zhì)蛇形微通道由線切割加工而成。圖1所示為兩組鋸齒形微通道底板，其迎流角α分別為30°、45°。該鋸齒形微通道散熱器的長寬高分別為80 mm×70 mm×3.1 mm，底部受熱面積為50 mm×50 mm。蛇形微通道的尺寸和鋸齒形底板的尺寸如圖2所示。進(jìn)出口布置在該散熱器的頂端，工質(zhì)為去離子水并通過齒輪泵進(jìn)行驅(qū)動。密封圈為硅膠環(huán)并安裝透明的有機(jī)玻璃便于觀察工質(zhì)的流動情況。鋸齒形微通道散熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示，在進(jìn)出口下方分別為兩個(gè)尺寸為長寬高分別為50 mm、5 mm、2 mm的水池，其目的在于使去離子水均勻地流進(jìn)每一個(gè)蛇形通道中，以提高散熱器的散熱效率以及均溫性。迎流角α分別為30°、45°下的鋸齒形底板的鋸齒通道的數(shù)量均為24條。

(a) 30°迎流角底板 (b) 45°迎流角底板圖1 鋸齒形微通道底板

(a) 蛇形微通道

(b)鋸齒形微通道圖2 微通道及其尺寸

圖3 鋸齒形微通道散熱器結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟

實(shí)驗(yàn)測試平臺如圖4所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括恒溫水浴、齒輪泵、壓力表、變壓器、功率儀、閥、水池、電子天平、數(shù)據(jù)采集卡和熱電偶。設(shè)備參數(shù)如表1所示。如圖4所示的測試部分包括鋸齒形微通道散熱器、加熱鋁塊和保溫盒；保溫盒由保溫木板制作，保溫盒內(nèi)部填充保溫棉，外部包裹一層保溫棉，以降低熱量的散失。用鋁塊模擬熱源，鋁塊和鋸齒形微通道散熱器底板之間涂一層導(dǎo)熱硅脂，避免間隙的產(chǎn)生和提高導(dǎo)熱效率；如圖5所示，實(shí)驗(yàn)所用加熱棒的額定功率為100 W，實(shí)際加熱功率由功率儀測定；模擬熱源測溫點(diǎn)位于加熱鋁塊頂部，用熱電偶測量；同時(shí)在鋸齒形微通道散熱器底部均勻布置5個(gè)K型熱電偶，由數(shù)據(jù)采集卡采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)測試平臺

圖5 加熱鋁塊及測溫點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在恒溫水浴中放置一個(gè)熱電偶，以確保去離子水的溫度恒為20 ℃。水流管道使用外徑/內(nèi)徑為4 mm / 2.5 mm的透明塑料管，并包裹保溫棉以防止熱量損失。由齒輪泵驅(qū)動去離子水進(jìn)入樣品中，進(jìn)口端和出口端分別放置壓力表，測量進(jìn)口水壓和出口水壓。去離子水的質(zhì)量流量由電子天平，分別為10 g/min、15 g/min、20 g/min、25 g/min、30 g/min、35 g/min、40 g/min、45 g/min。模擬熱源的溫度恒為75 ℃。在去離子水的質(zhì)量流量為25 g/min時(shí)用紅外熱成像儀拍鋸齒形微通道散熱器上表面的溫度分布情況。此外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前對每個(gè)測量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，并在穩(wěn)定狀態(tài)下記錄每個(gè)質(zhì)量流量下的測量數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)備參數(shù)

2 理論分析

鋸齒形微通道散熱器的熱流密度由下式計(jì)算：

(1)

其中，Q是由功率儀測得的鋸齒形微通道散熱器的輸入功率，Ah為加熱鋁塊的橫截面積。

工質(zhì)的平均溫度Tf可由去離子水的進(jìn)口溫度Tin和出口溫度Tout計(jì)算：

用表示工質(zhì)的平均溫度，由得到：

(2)

鋸齒形散熱器底板內(nèi)表面的溫度Tw，可由下式計(jì)算：

(3)

其中，T1為鋸齒形微通道散熱器底板受熱面上的5個(gè)熱電偶的平均溫度，y為鋸齒形散熱器底板的受熱表面到鋸齒形微通道內(nèi)壁的距離，其值為2.2 mm，A為鋸齒形微通道散熱器的受熱面積，λc為銅的導(dǎo)熱系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究，平均傳熱系數(shù)為：

(4)

散熱器的總熱阻可由下式計(jì)算：

(5)

其中，Tmax為鋸齒形微通道散熱器受熱底面上的最高溫度。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，該鋸齒形微通道散熱器的水力直徑DH計(jì)算如下：

(6)

(7)

Win和Wout為蛇形微通道的寬度，其值為0.5 mm;L為鋸齒微通道的長度，其值為50 mm;H為蛇形微通道的肋壁高度，其值為0.8 mm。

鋸齒形微通道散熱器內(nèi)工質(zhì)的流速為：

(8)

A1=19Wsm·Hsm

(9)

其中，Qm為工質(zhì)的質(zhì)量流量，ρ為流體的密度；A1為蛇形微通的面積。蛇形微通共有19個(gè)通道入口。

該散熱器的平均努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)通過下式計(jì)算：

(10)

(11)

式中，λf為去離子水的導(dǎo)熱系數(shù)，其值為λf=0.561 w/(m·k)，μ為流體的動力粘度,μ=1.005 0×10-3m·Pa·s。

流體工質(zhì)與微通道壁之間的摩擦系數(shù)由下式計(jì)算：

(12)

其中，Lzm為鋸齒微通道的寬度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

鋸齒形微通道散熱器在不同質(zhì)量流量下與壓降之間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 質(zhì)量流量和壓降之間的變化關(guān)系

可以看出，隨著去離子水流動速率增加，工作流體從蛇形通道垂直進(jìn)入鋸齒形微通道的流動沖擊會更加劇烈，會引起更多的壓降損失，從而壓降也隨流速的增加而增加。在相同質(zhì)量流量下，45°迎流角的微通道散熱器壓降總大于30°迎流角下的微通道散熱器壓降。質(zhì)量流量為10 g/min時(shí)，45°迎流角的微通道散熱器壓降為0.37 Pa，30°迎流角的微通道散熱器壓降為0.33 Pa。這是由于迎流角的不同，鋸齒形微通道散熱器需要克服的內(nèi)摩擦力和能量損失也不一樣。因此，使用具有較小迎流角的微通道散熱器更有利于節(jié)約泵的輸入功率。

圖7顯示，鋸齒形微通道散熱器的加熱功率和熱阻之間的變化關(guān)系。

2.2.2 對患者病情評估不到位。如意識不清或煩躁以及老年患者,未及時(shí)約束或約束不到位,對躁動患者未及時(shí)使用鎮(zhèn)靜劑或未有效鎮(zhèn)靜而發(fā)生自行拔管。在轉(zhuǎn)運(yùn)或患者外出檢查,溝通不到位,導(dǎo)致導(dǎo)管脫出。7例意外拔管患者中,1例患者在外出檢查時(shí)意外拔管。

圖7 功率和熱阻之間的變化關(guān)系

在質(zhì)量流量為15 g/min～45 g/min時(shí)，將熱源溫度控制在75 ℃，隨著加熱功率的增加，熱邊界層溫度也隨之增加，流體工質(zhì)的進(jìn)口溫度恒為20 ℃，溫差越大，進(jìn)行的熱交換也越多，鋸齒形微通道散熱器的熱阻隨之減小。在相同加熱功率之下，45°迎流角的散熱器有更大的熱阻。在本實(shí)驗(yàn)中為了維持恒定的熱源溫度，30°迎流角的散熱器需要更高的加熱功率，其熱阻最小為0.001 5 m2·K/W。沿水流方向，30°迎流角迎流角底板有更大的換熱面積，進(jìn)行更多的熱量交換，使微通道散熱器的表面溫度更低，故熱阻也更低，有更好的散熱性能。

如圖8所示為質(zhì)量流量和熱阻之間的變化關(guān)系，隨著流速加快，熱交換邊界層變?。还べ|(zhì)流動更加均勻，受熱底板的溫度分布更加均勻，熱阻逐漸減小。

圖8 質(zhì)量流量和熱阻之間的變化關(guān)系

流速較小時(shí)，30°迎流角散熱器熱阻和45°迎流角微通道散熱器熱阻之間的差值趨于平穩(wěn)，在流速逐漸增大的時(shí)候，兩者差值也逐漸增大，表明30°迎流角的微通道散熱器在較高流速下的散熱性能優(yōu)于45°迎流角微通道散熱器，在流量為45 g/min的時(shí)候，兩者的熱阻差值最大，為0.000 7 m2·K/W。這是因?yàn)?0°迎流角的微通道散熱器在較高流速下更好地改善流體的混合，實(shí)現(xiàn)更多的熱交換。

圖9顯示在熱源溫度為75 ℃，改變質(zhì)量流量時(shí)散熱器的平均傳熱系數(shù)。通過增加工質(zhì)流速，強(qiáng)化傳熱，使散熱器性能得到有效改善，可使微通道散熱器的傳熱系數(shù)增加。

圖9 質(zhì)量流量和平均傳熱系數(shù)之間的變化關(guān)系

30°迎流角的微通道散熱器的傳熱系數(shù)明顯優(yōu)于45°迎流角微通道散熱器。微通道散熱器底板上的通道具有相同的寬度(0.8 mm)，而鋸齒形底板的鋸齒通道的數(shù)量均為24條，相比于45°迎流角底板，增加了30°迎流角底板的對流換熱面積[13]，同時(shí)工質(zhì)從蛇形通道垂直流入鋸齒形微通道內(nèi)時(shí)，30°迎流角底板上的漩渦得到了增強(qiáng)，加強(qiáng)了換熱。30°迎流角的微通道散熱器的最大傳熱系數(shù)為1 170.87 W/(m2·K)，隨流速的變化更快，說明流速對30°迎流角的微通道散熱器的平均傳熱系數(shù)的影響更大。

如圖10所示為流體工質(zhì)流經(jīng)兩散熱器時(shí)平均努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)之間的變化關(guān)系。

圖10 平均努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)之間的變化關(guān)系

正如圖中所示，雷諾數(shù)逐漸增大時(shí)，較大的慣性力加速了流體流動，促進(jìn)了對流換熱[15]。流體流速對30°迎流角的鋸齒微通道的影響越明顯，對45°迎流角微通道散熱器的影響變?nèi)?，兩種迎流角下鋸齒形微通道散熱器之間的努塞爾數(shù)相差越大。隨著雷諾數(shù)的增加，流體的流動速度加快，工質(zhì)從蛇形通道垂直流入鋸齒形微通道的沖擊變得劇烈，兩鋸齒形微通道散熱器內(nèi)的熱邊界層受到抑制，增強(qiáng)換熱，局部換熱效率得到增強(qiáng)，努塞爾數(shù)增加。30°迎流角微通道散熱器的對流換熱面積大于45°迎流角微通道散熱器的對流換熱面積，并且具有更好地流動均勻性。 因此30°迎流角的微通道散熱器的綜合傳熱性能優(yōu)于45°迎流角微通道散熱器的綜合傳熱性能。

圖11 摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化關(guān)系

在層流狀態(tài)下，雷諾數(shù)較小時(shí)，支配流動的只要因素是粘性力，而在高雷諾數(shù)時(shí)壓力起主導(dǎo)作用。由此造成了摩擦系數(shù)在低雷諾數(shù)下急劇減小，而在高雷諾數(shù)下減小平緩。其中45°迎流角微通道散熱器和30°迎流角微通道散熱器與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果顯示出相同的變化趨勢，但存在一定的差異。造成這種差異的主要原因是所設(shè)計(jì)微通道的幾何形狀和幾何尺寸的不同[16]。較小迎流角的微通道散熱器能進(jìn)一步改善對流換熱性能，同時(shí)降低了流動摩擦的影響。

圖12是使用紅外熱成像儀拍的鋸齒形微通道散熱器的上表面溫度分布情況。

(a) α=30° (b) α=45°圖12 鋸齒形微通道的頂面溫度分布

如圖中所示，從進(jìn)口處到出口處經(jīng)過了受熱表面熱量的累積，鋸齒形微通道上表面的溫度逐漸升高。45°迎流角微通道散熱器具有更好的溫度均勻性，其表面最高溫度相較于30°迎流角微通道散熱器的表面的最高溫度低4.8 ℃，且具有最大的低溫分布區(qū)。此外，可以進(jìn)一步合理的布置進(jìn)口和出口的數(shù)量和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)提高鋸齒形微通道散熱器的溫度均勻性，未來的研究中將會進(jìn)行。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)并加工了迎流角分別為30°和45°的銅質(zhì)鋸齒形微通道散熱器，兩種微通道散熱器的鋸齒形微通道的數(shù)量、寬度和高度相同。在熱源溫度恒定為75 ℃，工質(zhì)的質(zhì)量流量分別為10 g/min、15 g/min、20 g/min、25 g/min、30 g/min、35 g/min、40 g/min、45 g/min下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

(1)迎流角越小，壓降越小。這是由于迎流角影響了流體工質(zhì)流動的內(nèi)摩擦力和流體從蛇形通道垂直流入鋸齒形微通道的沖擊效果。

(2)較小的迎流角有利于改善傳熱性能。隨著流速的增大，強(qiáng)化對流換熱，較小迎流角更有利于流動的均勻性并提高了局部換熱效率。

(3)相比于45°迎流角微通道散熱器，30°迎流角微通道散熱器壓降更低，傳熱性能更好；但45°迎流角微通道散熱器的溫度均勻性更好。