鋸齒形微通道散熱器性能的實驗研究*

李志斌，彭 毅，楊 雄

(貴州大學機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

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

文獻[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，實現了790W/cm2的散熱量。從此，微通道散熱器的提出給散熱領域提供了新的思路。文獻[2]仿生設計出一種葉脈分形網絡的分級結構，并研究了該分形結構對流體的傳熱性能和水力性能的影響，結論顯示分級結構在傳熱中的作用至關重要。矩形微通道在研究中最為常見，但也有學者對圓形、三角形、梯形微通道[3]也進行了相應研究，如文獻[4]對這三種微通道結構進行了仿真研究，結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[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，研究結果顯示單路徑的蛇形微通道具有更高的努塞爾數和更低的熱阻。文獻[6]設計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現233.63 W的換熱量。此外，也有學者設計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[8]的研究結構顯示，在總流量相同時，具有雙層結構的微通道散熱器比單層結構的微通道散熱器更優異的換熱性能。文獻[9]設計了一種具有三角凹穴周期性變截面的微通道散熱器，其傳熱性能優于矩形的等截面直通道散熱器。文獻[10]利用數值計算方法對鋸齒形微通道和蛇形微通道組成的復合結構散熱器進行了研究。本文將從實驗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行了大量研究，除了少數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合結構進行實驗研究。該復合型散熱器中，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，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研究鋸齒角度對傳熱性能的影響。

1 模型設計和實驗方法

1.1 兩種鋸齒形微通道散熱器

本文所研究的銅質鋸齒形微通道底板由數控機床加工而成，如圖1所示。圖2所示的銅質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。進出口布置在該散熱器的頂端，工質為去離子水并通過齒輪泵進行驅動。密封圈為硅膠環并安裝透明的有機玻璃便于觀察工質的流動情況。鋸齒形微通道散熱器結構如圖3所示，在進出口下方分別為兩個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每一個蛇形通道中，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構

1.2 實驗設備和步驟

實驗測試平臺如圖4所示，實驗設備包括恒溫水浴、齒輪泵、壓力表、變壓器、功率儀、閥、水池、電子天平、數據采集卡和熱電偶。設備參數如表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熱硅脂，避免間隙的產生和提高導熱效率；如圖5所示，實驗所用加熱棒的額定功率為100 W，實際加熱功率由功率儀測定；模擬熱源測溫點位于加熱鋁塊頂部，用熱電偶測量；同時在鋸齒形微通道散熱器底部均勻布置5個K型熱電偶，由數據采集卡采集實驗數據。

圖4 實驗測試平臺

圖5 加熱鋁塊及測溫點布置

實驗時，在恒溫水浴中放置一個熱電偶，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。由齒輪泵驅動去離子水進入樣品中，進口端和出口端分別放置壓力表，測量進口水壓和出口水壓。去離子水的質量流量由電子天平，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 ℃。在去離子水的質量流量為25 g/min時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。此外實驗進行之前對每個測量設備進行校準，并在穩定狀態下記錄每個質量流量下的測量數據。

表1 設備參數

2 理論分析

鋸齒形微通道散熱器的熱流密度由下式計算：

(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。

工質的平均溫度Tf可由去離子水的進口溫度Tin和出口溫度Tout計算：

用表示工質的平均溫度，由得到：

(2)

鋸齒形散熱器底板內表面的溫度Tw，可由下式計算：

(3)

其中，T1為鋸齒形微通道散熱器底板受熱面上的5個熱電偶的平均溫度，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為銅的導熱系數。

根據文獻[11]的研究，平均傳熱系數為：

(4)

散熱器的總熱阻可由下式計算：

(5)

其中，Tmax為鋸齒形微通道散熱器受熱底面上的最高溫度。

根據文獻[12]，該鋸齒形微通道散熱器的水力直徑DH計算如下：

(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工質的流速為：

(8)

A1=19Wsm·Hsm

(9)

其中，Qm為工質的質量流量，ρ為流體的密度；A1為蛇形微通的面積。蛇形微通共有19個通道入口。

該散熱器的平均努塞爾數和雷諾數通過下式計算：

(10)

(11)

式中，λf為去離子水的導熱系數，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。

流體工質與微通道壁之間的摩擦系數由下式計算：

(12)

其中，Lzm為鋸齒微通道的寬度。

3 實驗結果與分析

鋸齒形微通道散熱器在不同質量流量下與壓降之間的變化關系如圖6所示。

圖6 質量流量和壓降之間的變化關系

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。質量流量為10 g/min時，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,未及時約束或約束不到位,對躁動患者未及時使用鎮靜劑或未有效鎮靜而發生自行拔管。在轉運或患者外出檢查,溝通不到位,導致導管脫出。7例意外拔管患者中,1例患者在外出檢查時意外拔管。

圖7 功率和熱阻之間的變化關系

在質量流量為15 g/min～45 g/min時，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，流體工質的進口溫度恒為20 ℃，溫差越大，進行的熱交換也越多，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。在本實驗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所示為質量流量和熱阻之間的變化關系，隨著流速加快，熱交換邊界層變薄；工質流動更加均勻，受熱底板的溫度分布更加均勻，熱阻逐漸減小。

圖8 質量流量和熱阻之間的變化關系

流速較小時，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，在流速逐漸增大的時候，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于45°迎流角微通道散熱器，在流量為45 g/min的時候，兩者的熱阻差值最大，為0.000 7 m2·K/W。這是因為30°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，實現更多的熱交換。

圖9顯示在熱源溫度為75 ℃，改變質量流量時散熱器的平均傳熱系數。通過增加工質流速，強化傳熱，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增加。

圖9 質量流量和平均傳熱系數之間的變化關系

30°迎流角的微通道散熱器的傳熱系數明顯優于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]，同時工質從蛇形通道垂直流入鋸齒形微通道內時，30°迎流角底板上的漩渦得到了增強，加強了換熱。30°迎流角的微通道散熱器的最大傳熱系數為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的影響更大。

如圖10所示為流體工質流經兩散熱器時平均努塞爾數和雷諾數之間的變化關系。

圖10 平均努塞爾數和雷諾數之間的變化關系

正如圖中所示，雷諾數逐漸增大時，較大的慣性力加速了流體流動，促進了對流換熱[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弱，兩種迎流角下鋸齒形微通道散熱器之間的努塞爾數相差越大。隨著雷諾數的增加，流體的流動速度加快，工質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的熱邊界層受到抑制，增強換熱，局部換熱效率得到增強，努塞爾數增加。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于45°迎流角微通道散熱器的綜合傳熱性能。

圖11 摩擦系數隨雷諾數的變化關系

在層流狀態下，雷諾數較小時，支配流動的只要因素是粘性力，而在高雷諾數時壓力起主導作用。由此造成了摩擦系數在低雷諾數下急劇減小，而在高雷諾數下減小平緩。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[15]的結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計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一步改善對流換熱性能，同時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，從進口處到出口處經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。此外，可以進一步合理的布置進口和出口的數量和優化結構參數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行。

4 結論

設計并加工了迎流角分別為30°和45°的銅質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量、寬度和高度相同。在熱源溫度恒定為75 ℃，工質的質量流量分別為10 g/min、15 g/min、20 g/min、25 g/min、30 g/min、35 g/min、40 g/min、45 g/min下進行實驗研究，結果表明：

(1)迎流角越小，壓降越小。這是由于迎流角影響了流體工質流動的內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。