微/小通道冷卻技術(shù)的工程化應(yīng)用*

任 川

(西南電子設(shè)備研究所， 四川 成都 610036)

微/小通道冷卻技術(shù)的工程化應(yīng)用*

任 川

(西南電子設(shè)備研究所， 四川 成都 610036)

微/小通道冷卻是工程領(lǐng)域應(yīng)對(duì)電子設(shè)備“熱障”的最重要的強(qiáng)化傳熱技術(shù)之一。文中闡述了微/小通道冷卻技術(shù)的概念和原理以及微尺度流動(dòng)、對(duì)流傳熱的微尺度效應(yīng)和入口段效應(yīng)，并詳細(xì)討論了開(kāi)展微/小通道冷卻技術(shù)工程化研究的若干關(guān)鍵問(wèn)題，從而澄清了微/小通道冷卻技術(shù)在目前階段工程化應(yīng)用方面的思路，為開(kāi)展微/小通道換熱器的工程研究和設(shè)計(jì)提供了有益的幫助。

微/小通道；流動(dòng)；對(duì)流傳熱；微尺度效應(yīng)；入口段效應(yīng)；工程化應(yīng)用

引 言

隨著微電子技術(shù)和集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步，功率元器件和單片集成電路都朝著小型化和更高集成度的方向快速發(fā)展，其熱流密度和熱耗散功率隨之急劇增大，散熱問(wèn)題成為制約微電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的“熱障”。Intel創(chuàng)始人Moore博士在20世紀(jì)70年代曾預(yù)言，計(jì)算機(jī)芯片上晶體管的集成密度和性能每18個(gè)月翻一番, 這就是著名的Moore定律，其正確性已在過(guò)去30多年電子技術(shù)的發(fā)展中得以驗(yàn)證[1]。Intel公司2005年預(yù)測(cè)：如果不能很好地解決芯片的功耗和散熱問(wèn)題，當(dāng)芯片上集成2億個(gè)晶體管時(shí)，熱流密度可達(dá)到100 W/cm2，芯片會(huì)熱得像核反應(yīng)堆；到2010年當(dāng)芯片上集成10億個(gè)晶體管時(shí)，熱流密度將達(dá)到250 W/cm2，芯片溫度將達(dá)到火箭發(fā)射時(shí)高溫燃?xì)鈬娚涞乃?；而?015年將會(huì)與太陽(yáng)表面(約5 800 ℃)一樣熱。IBM公司也認(rèn)為，如果沒(méi)有良好的冷卻措施，未來(lái)芯片溫度將達(dá)到6 000 ℃[2]。而軍用電子系統(tǒng)中大量使用的功率元器件的熱流密度比集成電路高得多，如基于砷化鎵的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的熱流密度可超過(guò)125 W/cm2，基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管的熱流密度可超過(guò)1 000 W/cm2。此外，軍用電子系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境更加惡劣，系統(tǒng)緊湊度更高，其熱管理難度更大。

鑒于軍用電子系統(tǒng)(尤其是射頻陣列和信號(hào)處理器)高熱流密度、大功率、高緊湊度、苛刻的環(huán)境條件和極高的可靠性要求，發(fā)展更高效的液冷技術(shù)和熱管理系統(tǒng)早已成為業(yè)界的共識(shí)[2-3]。

在對(duì)流傳熱方面，除了增大流速外，通過(guò)壓縮通道截面以增大熱邊界層的溫度梯度從而提高對(duì)流換熱系數(shù)，或者通過(guò)并聯(lián)更多通道以增加有效換熱面積，都是增強(qiáng)對(duì)流傳熱能力的有效途徑。而微/小通道冷卻技術(shù)則可以將這2方面做到極致，因而被科技界和工程界普遍認(rèn)為是目前最具潛在技術(shù)價(jià)值的強(qiáng)化傳熱技術(shù)之一。

1 微/小通道中的特別現(xiàn)象

按照嚴(yán)格的學(xué)術(shù)定義，微通道是指流體通道的水力等效直徑在幾微米到幾百微米的通道，小通道是指流體通道的水力等效直徑在毫米量級(jí)的通道[3]。微/小通道中的流動(dòng)和傳熱過(guò)程存在2個(gè)突出現(xiàn)象，即微尺度效應(yīng)和入口段效應(yīng)。

1.1 流體流動(dòng)和傳熱過(guò)程的微尺度效應(yīng)

常規(guī)尺度下的流動(dòng)和傳熱過(guò)程滿(mǎn)足連續(xù)性假設(shè)，適用連續(xù)介質(zhì)模型。連續(xù)介質(zhì)模型對(duì)固體和流體的分子運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，給出隨空間和時(shí)間變化的宏觀量(密度、速度、壓力、溫度等)，并以宏觀量描述固體和流體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。對(duì)于接近熱力學(xué)平衡的流體，Navier-Stokes方程(流體動(dòng)量方程)可以由基于分子運(yùn)動(dòng)的Boltzmann方程導(dǎo)出[4]。運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)模型描述流體運(yùn)動(dòng)必須滿(mǎn)足2個(gè)基本條件：1)用于定義當(dāng)?shù)貐?shù)的流體微團(tuán)尺度要遠(yuǎn)大于流體的微觀尺度(即分子平均自由程)，遠(yuǎn)小于宏觀流場(chǎng)尺度；2)流動(dòng)和傳熱過(guò)程沒(méi)有遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡。

微尺度效應(yīng)的成因可以在以下3個(gè)不同的物理尺度上考察：1)由于尺度的微小化，雖然物理過(guò)程的連續(xù)性假設(shè)仍然成立，但隨著通道的表面積與體積之比顯著增加，表面效應(yīng)不再可以忽略，表面效應(yīng)可與體積效應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)，甚至超過(guò)體積效應(yīng)而成為主導(dǎo)性物理因素。因此，各種體現(xiàn)流體分子與固體表面原子之間相互作用勢(shì)的表面力越來(lái)越重要，如表面張力、庫(kù)侖力(離子電離)、范德華力(分子極化)、空間位形力等[5-6]，且必須體現(xiàn)在流動(dòng)和傳熱過(guò)程控制方程(連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量方程)以及邊界條件中。2)當(dāng)尺度進(jìn)一步減小后，連續(xù)性假設(shè)仍然成立時(shí)，連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程和能量方程在主流區(qū)仍然適用，但稀薄效應(yīng)凸顯，流固邊界存在一個(gè)很薄的努森層。在努森層內(nèi)，流動(dòng)和傳熱過(guò)程更多地體現(xiàn)分子運(yùn)動(dòng)的特性，傳統(tǒng)的壁面邊界條件(速度無(wú)滑移和溫度連續(xù))會(huì)首先失效，必須應(yīng)用速度滑移和溫度跳躍的壁面邊界條件封閉控制方程組[7]。3)當(dāng)尺度進(jìn)一步縮小到分子平均自由程與流動(dòng)特征尺度相當(dāng)時(shí)，流體連續(xù)性假設(shè)不再成立，且流動(dòng)偏離熱力學(xué)平衡，則應(yīng)變率-應(yīng)力、熱通量-溫度梯度這2對(duì)物理量之間的簡(jiǎn)單線性關(guān)系將失效，連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、能量方程、應(yīng)變率-應(yīng)力本構(gòu)方程(牛頓粘性定律或非牛頓粘性定律)、熱通量-溫度梯度本構(gòu)方程(傅里葉導(dǎo)熱定律或廣義傅里葉導(dǎo)熱定律)都不再能反映真實(shí)的物理過(guò)程[5-6]，此時(shí)必須直接從分子動(dòng)力學(xué)出發(fā)，應(yīng)用Boltzmann方程或者直接模擬Monte-Carlo來(lái)描述接近分子運(yùn)動(dòng)層面的流動(dòng)和傳熱過(guò)程。

從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，氣體和液體是2種截然不同的物質(zhì)形態(tài)(相)，其相變點(diǎn)是一級(jí)相變點(diǎn)，在相組織上存在很大的差異，在微尺度下的主導(dǎo)效應(yīng)也明顯不同。

氣體流動(dòng)的微尺度效應(yīng)可歸納為表面效應(yīng)、稀薄效應(yīng)、低雷諾數(shù)效應(yīng)等，其中最重要的是稀薄效應(yīng)。在自然界中，地球大氣層自下而上的空氣密度逐漸減小，穿越大氣層的高空航空器、彈道導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和航天器會(huì)受到大氣稀薄效應(yīng)的影響，因而對(duì)氣體稀薄效應(yīng)的研究開(kāi)展較早，目前已經(jīng)比較成熟，研究模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累較多。如果微尺度下氣體流動(dòng)的稀薄效應(yīng)能夠借用這些研究模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，則將共享巨大的研究資源。由于氣體分子結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，各種分子和原子作用力的量級(jí)、范圍和變化規(guī)律較容易研究，因而研究能更好地聚焦于主要因素。研究表明，微尺度下氣體流動(dòng)的稀薄效應(yīng)與大氣層環(huán)境中的稀薄效應(yīng)在物理上是可以完全等價(jià)的。因而，對(duì)于微尺度下的氣體流動(dòng)，可以通過(guò)努森數(shù)(Kn數(shù)，分子平均自由程與流動(dòng)特征尺寸之比)來(lái)判斷流動(dòng)狀態(tài)，如連續(xù)介質(zhì)流、滑移流、過(guò)渡流和自由分子流[7]，從而為理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供較好的參考判據(jù)。

微通道流動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單卻富有代表性，國(guó)內(nèi)外眾多研究者都通過(guò)對(duì)微通道氣體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)研究來(lái)總結(jié)微尺度下氣體流動(dòng)的諸多特性，因而積累了較多的研究數(shù)據(jù)，人們對(duì)微通道氣體流動(dòng)規(guī)律已經(jīng)有了比較深刻的認(rèn)識(shí)，文獻(xiàn)中的研究結(jié)果也比較統(tǒng)一。

相對(duì)于氣體，液體的分子結(jié)構(gòu)和相組織比較復(fù)雜，粘性系數(shù)較大，影響因素多且相互關(guān)聯(lián)，進(jìn)行深入研究存在很多困難。目前，文獻(xiàn)中對(duì)于微通道內(nèi)液體流動(dòng)和傳熱過(guò)程的研究結(jié)果并不統(tǒng)一，甚至結(jié)論相互矛盾。不過(guò)總體而言，文獻(xiàn)普遍認(rèn)為液體流動(dòng)的微尺度效應(yīng)中表面效應(yīng)最重要，因此不能仿效氣體流動(dòng)以努森數(shù)來(lái)判斷流動(dòng)狀態(tài)。例如，在常規(guī)尺度的小高寬比矩形通道(高寬比趨于無(wú)窮小)中，在等熱流密度壁面條件下，充分發(fā)展層流狀態(tài)的努塞爾數(shù)(Nu數(shù)，無(wú)量綱對(duì)流換熱系數(shù))只能達(dá)到8.23，為最大值；而在微尺度且其它條件同等的情況下，充分發(fā)展層流狀態(tài)的努塞爾數(shù)可以達(dá)到9.20，即表面效應(yīng)增強(qiáng)了微尺度對(duì)流傳熱效果[8]。此外，還有表面粗糙度、流固共軛傳熱、粘性耗散等影響因素，目前它們還需要廣泛而深入的研究[6]。

1.2 流體流動(dòng)和傳熱過(guò)程的入口段效應(yīng)

由于流體粘性(內(nèi)摩擦)的存在，在具有相對(duì)速度差的流體之間或者流體與固體之間都會(huì)形成一個(gè)過(guò)渡層效應(yīng)。流體之間的過(guò)渡層效應(yīng)稱(chēng)為卷吸效應(yīng)，流體與固體表面之間的過(guò)渡層效應(yīng)稱(chēng)為(速度)邊界層效應(yīng)。在邊界層內(nèi)，流速?gòu)淖杂闪魉俣冗B續(xù)變化到固體表面的速度。在通常情況下，可以將流體-固體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分解成系統(tǒng)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)和流體相對(duì)于固體的運(yùn)動(dòng)2部分。在流體-固體相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，固體表面通常起著阻礙流動(dòng)的作用，使近壁面流動(dòng)減速，而部分流體必然被排斥到主流區(qū)中。

穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)包括層流和湍流2種，層流向湍流的轉(zhuǎn)捩是由觸發(fā)機(jī)制引起的。這種觸發(fā)機(jī)制可以是流動(dòng)中自然產(chǎn)生的非穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用，也可以是存在于邊界層中的小擾動(dòng)(流體與固體表面之間的相互作用)。而慣性力與粘性力的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果將決定這種觸發(fā)機(jī)制在流動(dòng)方向上(或隨時(shí)間推進(jìn)過(guò)程中)是被增強(qiáng)還是被削弱，即小擾動(dòng)是被放大還是被抑制，而衡量慣性力與粘性力之間競(jìng)爭(zhēng)性效應(yīng)的無(wú)量綱參數(shù)即是雷諾數(shù)[9]

(1)

式中：ρf是流體密度；μ是動(dòng)力粘性系數(shù)；U是定性速度，對(duì)于外部流動(dòng)取為自由流速度u∞，對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)取為平均流速u(mài)m；L是特征長(zhǎng)度(定性尺寸)，對(duì)于外部流動(dòng)取為與邊界層前緣的距離x，對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)取為水力等效直徑Dh。

對(duì)于外部繞流，只需要關(guān)注流動(dòng)狀態(tài)是層流、過(guò)渡狀態(tài)還是湍流，而邊界層可以不受限制地沿程發(fā)展；對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，除了關(guān)注流動(dòng)狀態(tài)外(通常認(rèn)為內(nèi)部流動(dòng)在臨界雷諾數(shù)為2 300時(shí)，由層流狀態(tài)向過(guò)渡狀態(tài)轉(zhuǎn)捩，而在雷諾數(shù)為10 000時(shí)，達(dá)到完全湍流狀態(tài))，還必須注意入口段和充分發(fā)展段的流動(dòng)特征有所不同。由于相對(duì)壁面之間的有限距離，壁面邊界層在沿程發(fā)展一段距離后必將匯合，因此邊界層匯合前后的流動(dòng)特征有所不同，即存在流動(dòng)入口段和充分發(fā)展段。內(nèi)部流動(dòng)的入口段長(zhǎng)度Xfd,h有如下關(guān)系[9]：

(2)

式中，ReD是以直徑為特征長(zhǎng)度定義的雷諾數(shù)。

在流動(dòng)入口段，流動(dòng)特征與外部繞流基本相同，即流體-固體表面之間的相互作用不斷向主流區(qū)滲透，邊界層逐漸增厚，主流區(qū)因受到邊界層擠壓而流速增大，但綜合效果仍然是邊界層內(nèi)的速度梯度逐漸減小，導(dǎo)致摩擦系數(shù)(或摩擦因子)逐漸減小；在充分發(fā)展段，匯合后的邊界層徹底消除了主流區(qū)，流體-固體表面之間的相互作用已經(jīng)擴(kuò)展到全部流動(dòng)區(qū)域，則沿程流速剖面恒定不變，即流動(dòng)方向上不存在速度梯度，摩擦系數(shù)僅是幾何形狀和雷諾數(shù)的函數(shù)，并且隨雷諾數(shù)增大而減小。尤其是對(duì)于充分發(fā)展層流狀態(tài)，摩擦因子f與雷諾數(shù)ReD之積為常數(shù)，其數(shù)值由截面幾何形狀確定，范圍為53(三角形截面)～96(高寬比無(wú)窮小的矩形截面)。

存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的流體與固體之間如果還存在溫差，則還會(huì)形成熱邊界層。在熱邊界層內(nèi)，溫度從自由流溫度連續(xù)變化到固體表面溫度。對(duì)流傳熱只存在于熱邊界層內(nèi)，對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系式[9]為

(3)

式中：kf是流體導(dǎo)熱系數(shù)；Ts是固體表面溫度；T∞是自由流溫度;?T/?y是固體表面法線方向的溫度梯度。

與速度邊界層相似，外部繞流的熱邊界層可以不受限制地沿程發(fā)展。對(duì)于內(nèi)部對(duì)流傳熱，除了不同流動(dòng)狀態(tài)的傳熱特征不同外，由于相對(duì)壁面之間的有限距離，壁面熱邊界層在沿程發(fā)展一段距離后必將匯合，從而導(dǎo)致熱邊界層匯合前后的傳熱特征有所不同，即存在熱入口段和充分發(fā)展段。熱入口段長(zhǎng)度Xfd,t有如下關(guān)系[9]：

(4)

式中，普朗特?cái)?shù)Pr表征流體粘性效應(yīng)與熱擴(kuò)散能力之間的競(jìng)爭(zhēng)性效應(yīng)，定義[9]如下：

(5)

式中：α是熱擴(kuò)散系數(shù)；ν是運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，為動(dòng)力粘性系數(shù)與流體密度之比。

在熱入口段，傳熱特征與外部對(duì)流傳熱完全相同，隨著熱邊界層的逐漸增厚，對(duì)流換熱系數(shù)逐漸減小；在熱充分發(fā)展段，匯合后的熱邊界層徹底消除了主流區(qū)，對(duì)流傳熱影響已經(jīng)擴(kuò)展到全部流動(dòng)區(qū)域，但沿程溫度剖面仍有變化，流體溫度沿程不斷升高，根據(jù)熱力學(xué)第一定律(能量守恒)，如下形式的無(wú)量綱溫差在流動(dòng)方向上梯度為零[9]，即

(6)

式中：Tm是流動(dòng)截面上流體的平均溫度。對(duì)于充分發(fā)展層流狀態(tài)，努塞爾數(shù)Nu是常數(shù)，其數(shù)值與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)，僅由幾何形狀和表面條件確定，范圍為2.49(等壁面溫度的三角形截面)～8.23(等熱流密度的高寬比無(wú)窮小矩形截面)；對(duì)于充分發(fā)展湍流狀態(tài)，截面幾何形狀的影響較小，工程上完全可用水力等效直徑Dh綜合其影響效果，努塞爾數(shù)Nu是雷諾數(shù)ReD、普朗特?cái)?shù)Pr和摩擦因子f的函數(shù)。而努塞爾數(shù)Nu滿(mǎn)足如下關(guān)系[9]：

(7)

對(duì)于層流或湍流的熱入口段或混合入口段，努塞爾數(shù)都大于充分發(fā)展段數(shù)值，且越靠近熱邊界層前緣，努塞爾數(shù)增加越明顯。

綜上所述，流動(dòng)入口段的摩擦系數(shù)總是比充分發(fā)展段的大，導(dǎo)致流動(dòng)阻力較大；熱入口段的對(duì)流換熱系數(shù)總是比充分發(fā)展段的大，導(dǎo)致傳熱效率更高。對(duì)于常規(guī)尺度而言，流動(dòng)入口段和熱入口段都較短，對(duì)流阻和傳熱量的貢獻(xiàn)主要依賴(lài)于充分發(fā)展段；而在微/小通道中，由于通道幾何尺寸較小，入口段長(zhǎng)度占通道長(zhǎng)度的比例較大，因此需要仔細(xì)判別入口段效應(yīng)，不可簡(jiǎn)單忽略。

2 微/小通道冷卻技術(shù)的工程化應(yīng)用

微/小通道雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或具有周期性特征，但是流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象卻很豐富，尤其是當(dāng)微/小通道的特征尺度跨越多個(gè)物理特征尺度時(shí)，太多的影響因素耦合而呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的物理現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)體系的建立和工程應(yīng)用需要一些特別考慮。例如，流體選擇氣體還是液體，具體選擇何種氣體或何種液體，以及由此帶來(lái)的各種物理過(guò)程的層次關(guān)系等；不同特征尺度下，單參數(shù)和多參數(shù)影響的定量分析以及已有理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否足以支持工程設(shè)計(jì)等；微/小通道的結(jié)構(gòu)、材料和工藝兼容性、成本、樣品制造和大規(guī)模制造的可行性等。

1)微/小通道液冷技術(shù)更適合于高熱流密度電子設(shè)備的散熱和陣列系統(tǒng)的熱管理。雖然目前對(duì)于微尺度下氣體流動(dòng)和傳熱過(guò)程的機(jī)理和影響因素理解較為準(zhǔn)確，結(jié)論較為統(tǒng)一，理論模型可信度高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富且可信度高，但由于氣體固有的低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)和低比熱容、微/小通道換熱器固有的低流量以及工程應(yīng)用中可能的持續(xù)供氣溫度的影響，氣冷的功率容量較小，效率較低。與通常的液冷技術(shù)相比，微小通道氣冷技術(shù)并不具有比較優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于氣體，液體具有高得多的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，可以低流量和適合于工程應(yīng)用的供液溫度實(shí)現(xiàn)高熱流密度和大功率熱源的散熱，因而微/小通道液冷技術(shù)才是高熱流密度電子設(shè)備散熱尤其是陣列系統(tǒng)熱管理的優(yōu)選。

2)目前適合于工程應(yīng)用的微/小通道的尺度范圍仍應(yīng)該滿(mǎn)足連續(xù)介質(zhì)模型適用條件。微尺度下液體流動(dòng)和傳熱過(guò)程的復(fù)雜性使目前缺乏足以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的高可信度的模型和數(shù)據(jù)，而能夠明確目前已有的高可信度模型和數(shù)據(jù)的適用范圍是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為，當(dāng)水力等效直徑Dh小于381 μm時(shí)，表面效應(yīng)凸顯并增強(qiáng)對(duì)流傳熱效果。例如，在常規(guī)尺度小高寬比矩形通道(高寬比趨于無(wú)窮小)中，在等熱流密度壁面條件下，充分發(fā)展層流狀態(tài)的努塞爾數(shù)Nu只能達(dá)到8.23，為最大值；而在微尺度且其它條件等同的情況下，充分發(fā)展層流狀態(tài)的努塞爾數(shù)可以達(dá)到9.20。而對(duì)于流動(dòng)和傳熱過(guò)程中微觀效應(yīng)與宏觀效應(yīng)的分界點(diǎn)，目前科技界普遍認(rèn)為液體約在50 μm量級(jí)，而氣體則約在10倍分子平均自由程量級(jí)[9]。大于此尺度的流動(dòng)和傳熱過(guò)程，應(yīng)用目前已有的模型和數(shù)據(jù)對(duì)于工程計(jì)算具有足夠的可信度和精度。在此尺度范圍內(nèi)，流動(dòng)和傳熱過(guò)程滿(mǎn)足適用連續(xù)介質(zhì)模型的2個(gè)基本條件，而表面效應(yīng)或可忽略，或可與體積效應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)。

3)在層流狀態(tài)的液冷微/小通道中，流動(dòng)入口段遠(yuǎn)小于熱入口段，這有利于減小流阻，增大對(duì)流換熱系數(shù)和提高能效。在層流和湍流狀態(tài)下，流動(dòng)入口段和充分發(fā)展段的長(zhǎng)度可按式(2)計(jì)算，而熱入口段和充分發(fā)展段的長(zhǎng)度可按式(4)計(jì)算。在層流狀態(tài)下，熱入口段與流動(dòng)入口段的長(zhǎng)度之比正好是普朗特?cái)?shù)。對(duì)于氣體而言，如空氣、二氧化碳和氮?dú)獾钠绽侍財(cái)?shù)分別是0.707、0.766和0.716，速度邊界層發(fā)展速度小于熱邊界層發(fā)展速度，當(dāng)對(duì)流傳熱進(jìn)入充分發(fā)展段后，流動(dòng)也即將進(jìn)入充分發(fā)展段。對(duì)于液體而言，例如65號(hào)防凍液(65%乙二醇水溶液)、聚α烯烴(PAO)和氟碳化合物FC-770的普朗特?cái)?shù)分別是54.1、876.0和21.3，速度邊界層發(fā)展速度遠(yuǎn)大于熱邊界層發(fā)展速度，當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入充分發(fā)展段時(shí)，對(duì)流傳熱的熱入口段才剛剛開(kāi)始。因此，對(duì)于微/小通道液冷技術(shù)，層流可按充分發(fā)展段考慮，流阻較小；而對(duì)流傳熱則可按熱入口段或者混合發(fā)展段考慮，對(duì)流換熱系數(shù)較大，有利于提高微/小通道冷卻技術(shù)的能效。在湍流狀態(tài)下，由于湍流摻混的影響遠(yuǎn)大于分子的擴(kuò)散作用，熱入口段與流動(dòng)入口段的長(zhǎng)度相當(dāng)，對(duì)于氣體和液體并無(wú)差別。

4)適合工程應(yīng)用的微/小通道冷卻技術(shù)不僅僅追求幾何尺寸上的縮小，更需要在布局和結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新。目前可以工程化應(yīng)用的微/小通道冷卻技術(shù)的強(qiáng)化傳熱原理是：一方面，通過(guò)大大壓縮通道截面并使表面效應(yīng)的貢獻(xiàn)增大來(lái)提高對(duì)流換熱系數(shù)；另一方面，通過(guò)改進(jìn)工藝技術(shù)加工出寬度更小、高寬比更大的流體通道來(lái)提高表面積與體積之比，以及在有限的體積內(nèi)集成更多的流體通道以增加有效換熱面積(值得一提的是，與應(yīng)用于能源動(dòng)力系統(tǒng)和化工系統(tǒng)的緊湊式換熱器可以多層堆疊流體通道以提高表面積與體積之比不同，對(duì)應(yīng)于電子設(shè)備熱源的流體通道必須是單層平面集成，即每層熱源與每個(gè)流體通道層一一對(duì)應(yīng)。)。但在流量不變的條件下，通道流阻與流程成正比，而與水力等效直徑Dh的4次方成反比。所以微通道的流阻較大，工作壓力也較大，這是限制其工程應(yīng)用的主要原因之一。另外，加工復(fù)雜性、通道堵塞、溫升過(guò)大等問(wèn)題也是限制其廣泛應(yīng)用的主要原因[3]。因此，受制于可大規(guī)模制造的工藝技術(shù)能力和實(shí)際使用環(huán)境，工程化應(yīng)用的微通道換熱器的冷卻性能肯定不及實(shí)驗(yàn)室的微通道換熱器，對(duì)于微通道還是小通道的選擇就不能武斷而定。除了在可大規(guī)模制造的工藝技術(shù)能力方面需要攻關(guān)外，廣泛研究更多的布局和結(jié)構(gòu)方案對(duì)微/小通道冷卻技術(shù)的工程化應(yīng)用大有裨益。

5)目前適合工程應(yīng)用的微/小通道冷卻技術(shù)一定要避免流動(dòng)沸騰和氣液兩相流的出現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，微/小通道中的流動(dòng)沸騰冷卻可以提供更高的傳熱系數(shù)，而所需的流量和泵功率(即流阻)可以比單相液冷降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，頗具吸引力。但通道內(nèi)流動(dòng)沸騰一定會(huì)形成氣液兩相流，而由于微/小通道較小的截面尺寸，氣液兩相流很容易進(jìn)入柱塞流或燒干流型，使氣液交變流動(dòng)，壁面溫度波動(dòng)較大，有文獻(xiàn)指出可能達(dá)到60 ℃。同時(shí)，氣液交變流動(dòng)導(dǎo)致較大的壓力脈動(dòng)，高壓可能破壞液冷結(jié)構(gòu)，而向上游傳遞則容易損壞泵。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為，微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰還面臨沸騰起始點(diǎn)、流型、壓降、傳熱系數(shù)、穩(wěn)定性和臨界熱流密度這6個(gè)有待進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題，而目前的模型和數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)不能指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。因此目前適合工程應(yīng)用的微/小通道冷卻技術(shù)不僅不能利用流動(dòng)沸騰來(lái)提高傳熱能力和降低系統(tǒng)資源需求，還要避免流動(dòng)沸騰和氣液兩相流狀態(tài)的出現(xiàn)。一方面，在冷卻液的選擇上，例如氟碳化合物FC-40、FC-72和FC-770的沸點(diǎn)分別是155 ℃、56 ℃和95 ℃，應(yīng)該選擇高沸點(diǎn)的FC-40和FC-770，而不能選擇低沸點(diǎn)的FC-72；另一方面，在液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，需要提供合適的流量和泵功率，并保證分流的均勻性，以避免局部高熱流密度熱源觸發(fā)冷卻液流動(dòng)沸騰(注：氟碳化合物FC-40、FC-72和FC-770的冰點(diǎn)分別是-57 ℃、-90 ℃和-127 ℃)。

6)制造微/小通道的材料除考慮性能外，還要與電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料和微波特殊工藝兼容?？芍圃煳?小通道的材料主要是硅、有機(jī)玻璃、陶瓷基材、鋁合金和銅合金。其中，有機(jī)玻璃微/小通道采用機(jī)械切削加工，其透明可視，僅用于實(shí)驗(yàn)室可視化試驗(yàn)觀察。硅基微/小通道采用機(jī)械微切削或化學(xué)蝕刻加工，化學(xué)蝕刻可以很好地與集成電路制造工藝兼容，但僅局限于矩形截面，且高寬比較小，不利于增加有效換熱面積。陶瓷基材(如低溫共燒陶瓷)是目前單封裝系統(tǒng)和多芯片模塊中常用的封裝基板材料，逐層加工后疊合燒結(jié)成形，可以?xún)?nèi)埋大量無(wú)源器件是其一大優(yōu)勢(shì)，而微/小通道由機(jī)械切削而成。鋁合金是電子設(shè)備常用的結(jié)構(gòu)材料，單位重量下強(qiáng)度較高，加工方法較多且成熟，但不能采用化學(xué)蝕刻，而機(jī)械切削加工的微/小通道寬度不及化學(xué)蝕刻的小，高寬比雖然比化學(xué)蝕刻的大，但受限于刀具和機(jī)床，也不能太大。銅合金導(dǎo)熱系數(shù)最大，但密度較大，不是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)選材料，但銅合金可以壓鑄，可以加工出復(fù)雜截面形狀的微/小通道。在電子設(shè)備常用結(jié)構(gòu)材料中，3000系鋁合金是鋁錳合金，不能熱處理強(qiáng)化合金，具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、延展性、可焊性和耐蝕性，但強(qiáng)度較低(如3A21屈服強(qiáng)度為85 MPa)，切削性能較差；5000系鋁合金是鋁鎂合金，不能熱處理強(qiáng)化合金，但可以冷作硬化提高強(qiáng)度，具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和切削性能、優(yōu)良的耐蝕性以及較高的強(qiáng)度(如5A06屈服強(qiáng)度為157 MPa)；6000系鋁合金是鋁鎂硅合金，可熱處理強(qiáng)化合金，具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、切削性能、延展性和耐蝕性，焊接性較好，強(qiáng)度較高(如6061屈服強(qiáng)度為215 MPa，6063屈服強(qiáng)度為148 MPa)。鋁合金3A21強(qiáng)度較低且切削性能較差，不適合作為精密液冷結(jié)構(gòu)的材料；鋁合金5A06雖然強(qiáng)度較高且切削性能較好，但不兼容微波器件常用的激光焊接工藝；鋁合金6061和6063強(qiáng)度較高，切削性能較好，而且兼容激光焊接工藝，是普遍使用的微波腔體材料。

7)微/小通道冷卻技術(shù)應(yīng)作為局部強(qiáng)化傳熱措施，其外形應(yīng)適合于功率元器件。微/小通道換熱器的并聯(lián)通道規(guī)模受限于上下游分流/匯流區(qū)的分流均勻性，而通道長(zhǎng)度則受限于流體溫升導(dǎo)致的流體基底溫度和沿程流阻，都不能無(wú)限擴(kuò)展。因此微/小通道換熱器適合作為局部區(qū)域的強(qiáng)化傳熱措施，而不適合作為較大面積區(qū)域的均溫措施，其散熱面尺寸應(yīng)適合于功率元器件。

8)微/小通道冷卻技術(shù)需在上一級(jí)集成環(huán)境中集成應(yīng)用。如果過(guò)小的微/小通道換熱器以單封裝形式應(yīng)用，則對(duì)于封裝結(jié)構(gòu)的利用效率很低，冷卻液接口難以實(shí)現(xiàn)工程化。因此，微/小通道換熱器一定是作為強(qiáng)化傳熱部件在上一級(jí)集成環(huán)境中應(yīng)用，具體而言包括以下2種集成環(huán)境：以兼容微波特殊工藝的鋁合金6061/6063為結(jié)構(gòu)材料的集成液冷結(jié)構(gòu)，微/小通道寬度為0.1～0.2 mm，較大的高寬比，基于改進(jìn)的微細(xì)制造(切削、微放電等)和焊接等工藝成形，作為集成液冷技術(shù)應(yīng)用于模塊級(jí)熱管理，如收發(fā)模塊、功率模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊等的熱管理；以低溫共燒陶瓷、高溫共燒陶瓷、半導(dǎo)體材料(如Si)等兼容集成電路工藝的特殊材料為結(jié)構(gòu)材料，微通道寬度為0.01～0.1 mm，較小的高寬比，基于蝕刻和粘結(jié)等集成電路常規(guī)工藝成形，作為嵌入式熱管理技術(shù)應(yīng)用于封裝級(jí)熱管理，如單封裝系統(tǒng)、單芯片系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列等的熱管理。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于軍用電子系統(tǒng)而言，目前的微/小通道冷卻技術(shù)應(yīng)限定在基于FC-770或FC-40的單相液冷，通道尺度應(yīng)使連續(xù)介質(zhì)模型仍能適用。由于微/小通道冷卻的能效較高，微/小通道換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)集約使用系統(tǒng)資源，包括緊湊的體積，小流量工況和合理的流阻。微/小通道換熱器適合設(shè)計(jì)成局部區(qū)域的強(qiáng)化傳熱部件，并集成到上一級(jí)集成環(huán)境中應(yīng)用。

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任 川(1978-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備散熱、熱管理系統(tǒng)、陣列系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面的研究和設(shè)計(jì)工作。

Engineering Application of Micro/Mini-Channel Cooling Technology

REN Chuan

(SouthwestChinaInstituteofElectronicEquipment,Chengdu610036,China)

The micro/mini-channel cooling is one of the most important enhanced heat transfer technologies when engineers face the restriction from “heat barrier” of electronic equipment. The concept and mechanism of micro/mini-channel cooling technology are reviewed with the microscale effect and entrance effect of microscale flow and convective heat transfer especially. Several key problems on engineering application of micro/mini-channel cooling technology are discussed in detail and thus its maproad is clarified, which is helpful to both application research and design of micro/mini-channel heat exchangers.

micro /mini-channel; flow; convective heat transfer; microscale effect; entrance effect; engineering application

2014-05-20

TK172

A

1008-5300(2014)05-0001-06