锯齿形微通道散热器性能的实验研究*

李志斌，彭 毅，杨 雄

(贵州大学机械工程学院，贵阳 550025)

0 引言

大规模集成电子设备的相继出现，电子元器件的发热问题日益严重，极大影响了电子设备的工作性能和工作寿命。面对高热流密度的电子设备，传统的散热方式已难以满足其散热需求，新型的高效散热设备[1-3]已成为当下人们的研究热点。

文献[1]于1981年首次提出微通道散热器。通过在硅表面加工矩形微通道，以水为工质，实现了790W/cm2的散热量。从此，微通道散热器的提出给散热领域提供了新的思路。文献[2]仿生设计出一种叶脉分形网络的分级结构，并研究了该分形结构对流体的传热性能和水力性能的影响，结论显示分级结构在传热中的作用至关重要。矩形微通道在研究中最为常见，但也有学者对圆形、三角形、梯形微通道[3]也进行了相应研究，如文献[4]对这三种微通道结构进行了仿真研究，结果表明水力直径小的微通道具有更好的均温性和换热效果。文献[5]对比了直矩形微通道、单通道、双通道和三通道以及蛇形微通道的传热性能，研究结果显示单路径的蛇形微通道具有更高的努塞尔数和更低的热阻。文献[6]设计了蜂窝状的微通道散热器，在13.3 ml/s的体积流量下，面积为17 cm2的蜂窝微通道散热器可实现233.63 W的换热量。此外，也有学者设计出相互连通的微通道，例如分形微通道，六边形连接的微通道[7]等。文献[8]的研究结构显示，在总流量相同时，具有双层结构的微通道散热器比单层结构的微通道散热器更优异的换热性能。文献[9]设计了一种具有三角凹穴周期性变截面的微通道散热器，其传热性能优于矩形的等截面直通道散热器。文献[10]利用数值计算方法对锯齿形微通道和蛇形微通道组成的复合结构散热器进行了研究。本文将从实验角度研究该散热器的水力性能和传热性能。综合来看，人们对直微通道散热器进行了大量研究，除了少数锯齿形微通道散热器和波浪形散热器以外，很少对锯齿形微通道和蛇形微通道组成的复合结构进行实验研究。该复合型散热器中，锯齿形微通道起主流作用，蛇形微通道起分流作用；以去离子水为工质，通过压降研究锯齿角度对水力性能的影响；通过热阻和传热系数研究锯齿角度对传热性能的影响。

1 模型设计和实验方法

1.1 两种锯齿形微通道散热器

本文所研究的铜质锯齿形微通道底板由数控机床加工而成，如图1所示。图2所示的铜质蛇形微通道由线切割加工而成。图1所示为两组锯齿形微通道底板，其迎流角α分别为30°、45°。该锯齿形微通道散热器的长宽高分别为80 mm×70 mm×3.1 mm，底部受热面积为50 mm×50 mm。蛇形微通道的尺寸和锯齿形底板的尺寸如图2所示。进出口布置在该散热器的顶端，工质为去离子水并通过齿轮泵进行驱动。密封圈为硅胶环并安装透明的有机玻璃便于观察工质的流动情况。锯齿形微通道散热器结构如图3所示，在进出口下方分别为两个尺寸为长宽高分别为50 mm、5 mm、2 mm的水池，其目的在于使去离子水均匀地流进每一个蛇形通道中，以提高散热器的散热效率以及均温性。迎流角α分别为30°、45°下的锯齿形底板的锯齿通道的数量均为24条。

(a) 30°迎流角底板 (b) 45°迎流角底板图1 锯齿形微通道底板

(a) 蛇形微通道

(b)锯齿形微通道图2 微通道及其尺寸

图3 锯齿形微通道散热器结构

1.2 实验设备和步骤

实验测试平台如图4所示，实验设备包括恒温水浴、齿轮泵、压力表、变压器、功率仪、阀、水池、电子天平、数据采集卡和热电偶。设备参数如表1所示。如图4所示的测试部分包括锯齿形微通道散热器、加热铝块和保温盒；保温盒由保温木板制作，保温盒内部填充保温棉，外部包裹一层保温棉，以降低热量的散失。用铝块模拟热源，铝块和锯齿形微通道散热器底板之间涂一层导热硅脂，避免间隙的产生和提高导热效率；如图5所示，实验所用加热棒的额定功率为100 W，实际加热功率由功率仪测定；模拟热源测温点位于加热铝块顶部，用热电偶测量；同时在锯齿形微通道散热器底部均匀布置5个K型热电偶，由数据采集卡采集实验数据。

图4 实验测试平台

图5 加热铝块及测温点布置

实验时，在恒温水浴中放置一个热电偶，以确保去离子水的温度恒为20 ℃。水流管道使用外径/内径为4 mm / 2.5 mm的透明塑料管，并包裹保温棉以防止热量损失。由齿轮泵驱动去离子水进入样品中，进口端和出口端分别放置压力表，测量进口水压和出口水压。去离子水的质量流量由电子天平，分别为10 g/min、15 g/min、20 g/min、25 g/min、30 g/min、35 g/min、40 g/min、45 g/min。模拟热源的温度恒为75 ℃。在去离子水的质量流量为25 g/min时用红外热成像仪拍锯齿形微通道散热器上表面的温度分布情况。此外实验进行之前对每个测量设备进行校准，并在稳定状态下记录每个质量流量下的测量数据。

表1 设备参数

2 理论分析

锯齿形微通道散热器的热流密度由下式计算：

(1)

其中，Q是由功率仪测得的锯齿形微通道散热器的输入功率，Ah为加热铝块的横截面积。

工质的平均温度Tf可由去离子水的进口温度Tin和出口温度Tout计算：

用表示工质的平均温度，由得到：

(2)

锯齿形散热器底板内表面的温度Tw，可由下式计算：

(3)

其中，T1为锯齿形微通道散热器底板受热面上的5个热电偶的平均温度，y为锯齿形散热器底板的受热表面到锯齿形微通道内壁的距离，其值为2.2 mm，A为锯齿形微通道散热器的受热面积，λc为铜的导热系数。

根据文献[11]的研究，平均传热系数为：

(4)

散热器的总热阻可由下式计算：

(5)

其中，Tmax为锯齿形微通道散热器受热底面上的最高温度。

根据文献[12]，该锯齿形微通道散热器的水力直径DH计算如下：

(6)

(7)

Win和Wout为蛇形微通道的宽度，其值为0.5 mm;L为锯齿微通道的长度，其值为50 mm;H为蛇形微通道的肋壁高度，其值为0.8 mm。

锯齿形微通道散热器内工质的流速为：

(8)

A1=19Wsm·Hsm

(9)

其中，Qm为工质的质量流量，ρ为流体的密度；A1为蛇形微通的面积。蛇形微通共有19个通道入口。

该散热器的平均努塞尔数和雷诺数通过下式计算：

(10)

(11)

式中，λf为去离子水的导热系数，其值为λf=0.561 w/(m·k)，μ为流体的动力粘度,μ=1.005 0×10-3m·Pa·s。

流体工质与微通道壁之间的摩擦系数由下式计算：

(12)

其中，Lzm为锯齿微通道的宽度。

3 实验结果与分析

锯齿形微通道散热器在不同质量流量下与压降之间的变化关系如图6所示。

图6 质量流量和压降之间的变化关系

可以看出，随着去离子水流动速率增加，工作流体从蛇形通道垂直进入锯齿形微通道的流动冲击会更加剧烈，会引起更多的压降损失，从而压降也随流速的增加而增加。在相同质量流量下，45°迎流角的微通道散热器压降总大于30°迎流角下的微通道散热器压降。质量流量为10 g/min时，45°迎流角的微通道散热器压降为0.37 Pa，30°迎流角的微通道散热器压降为0.33 Pa。这是由于迎流角的不同，锯齿形微通道散热器需要克服的内摩擦力和能量损失也不一样。因此，使用具有较小迎流角的微通道散热器更有利于节约泵的输入功率。

图7显示，锯齿形微通道散热器的加热功率和热阻之间的变化关系。

2.2.2 对患者病情评估不到位。如意识不清或烦躁以及老年患者,未及时约束或约束不到位,对躁动患者未及时使用镇静剂或未有效镇静而发生自行拔管。在转运或患者外出检查,沟通不到位,导致导管脱出。7例意外拔管患者中,1例患者在外出检查时意外拔管。

图7 功率和热阻之间的变化关系

在质量流量为15 g/min～45 g/min时，将热源温度控制在75 ℃，随着加热功率的增加，热边界层温度也随之增加，流体工质的进口温度恒为20 ℃，温差越大，进行的热交换也越多，锯齿形微通道散热器的热阻随之减小。在相同加热功率之下，45°迎流角的散热器有更大的热阻。在本实验中为了维持恒定的热源温度，30°迎流角的散热器需要更高的加热功率，其热阻最小为0.001 5 m2·K/W。沿水流方向，30°迎流角迎流角底板有更大的换热面积，进行更多的热量交换，使微通道散热器的表面温度更低，故热阻也更低，有更好的散热性能。

如图8所示为质量流量和热阻之间的变化关系，随着流速加快，热交换边界层变薄；工质流动更加均匀，受热底板的温度分布更加均匀，热阻逐渐减小。

图8 质量流量和热阻之间的变化关系

流速较小时，30°迎流角散热器热阻和45°迎流角微通道散热器热阻之间的差值趋于平稳，在流速逐渐增大的时候，两者差值也逐渐增大，表明30°迎流角的微通道散热器在较高流速下的散热性能优于45°迎流角微通道散热器，在流量为45 g/min的时候，两者的热阻差值最大，为0.000 7 m2·K/W。这是因为30°迎流角的微通道散热器在较高流速下更好地改善流体的混合，实现更多的热交换。

图9显示在热源温度为75 ℃，改变质量流量时散热器的平均传热系数。通过增加工质流速，强化传热，使散热器性能得到有效改善，可使微通道散热器的传热系数增加。

图9 质量流量和平均传热系数之间的变化关系

30°迎流角的微通道散热器的传热系数明显优于45°迎流角微通道散热器。微通道散热器底板上的通道具有相同的宽度(0.8 mm)，而锯齿形底板的锯齿通道的数量均为24条，相比于45°迎流角底板，增加了30°迎流角底板的对流换热面积[13]，同时工质从蛇形通道垂直流入锯齿形微通道内时，30°迎流角底板上的漩涡得到了增强，加强了换热。30°迎流角的微通道散热器的最大传热系数为1 170.87 W/(m2·K)，随流速的变化更快，说明流速对30°迎流角的微通道散热器的平均传热系数的影响更大。

如图10所示为流体工质流经两散热器时平均努塞尔数和雷诺数之间的变化关系。

图10 平均努塞尔数和雷诺数之间的变化关系

正如图中所示，雷诺数逐渐增大时，较大的惯性力加速了流体流动，促进了对流换热[15]。流体流速对30°迎流角的锯齿微通道的影响越明显，对45°迎流角微通道散热器的影响变弱，两种迎流角下锯齿形微通道散热器之间的努塞尔数相差越大。随着雷诺数的增加，流体的流动速度加快，工质从蛇形通道垂直流入锯齿形微通道的冲击变得剧烈，两锯齿形微通道散热器内的热边界层受到抑制，增强换热，局部换热效率得到增强，努塞尔数增加。30°迎流角微通道散热器的对流换热面积大于45°迎流角微通道散热器的对流换热面积，并且具有更好地流动均匀性。 因此30°迎流角的微通道散热器的综合传热性能优于45°迎流角微通道散热器的综合传热性能。

图11 摩擦系数随雷诺数的变化关系

在层流状态下，雷诺数较小时，支配流动的只要因素是粘性力，而在高雷诺数时压力起主导作用。由此造成了摩擦系数在低雷诺数下急剧减小，而在高雷诺数下减小平缓。其中45°迎流角微通道散热器和30°迎流角微通道散热器与文献[15]的结果显示出相同的变化趋势，但存在一定的差异。造成这种差异的主要原因是所设计微通道的几何形状和几何尺寸的不同[16]。较小迎流角的微通道散热器能进一步改善对流换热性能，同时降低了流动摩擦的影响。

图12是使用红外热成像仪拍的锯齿形微通道散热器的上表面温度分布情况。

(a) α=30° (b) α=45°图12 锯齿形微通道的顶面温度分布

如图中所示，从进口处到出口处经过了受热表面热量的累积，锯齿形微通道上表面的温度逐渐升高。45°迎流角微通道散热器具有更好的温度均匀性，其表面最高温度相较于30°迎流角微通道散热器的表面的最高温度低4.8 ℃，且具有最大的低温分布区。此外，可以进一步合理的布置进口和出口的数量和优化结构参数提高锯齿形微通道散热器的温度均匀性，未来的研究中将会进行。

4 结论

设计并加工了迎流角分别为30°和45°的铜质锯齿形微通道散热器，两种微通道散热器的锯齿形微通道的数量、宽度和高度相同。在热源温度恒定为75 ℃，工质的质量流量分别为10 g/min、15 g/min、20 g/min、25 g/min、30 g/min、35 g/min、40 g/min、45 g/min下进行实验研究，结果表明：

(1)迎流角越小，压降越小。这是由于迎流角影响了流体工质流动的内摩擦力和流体从蛇形通道垂直流入锯齿形微通道的冲击效果。

(2)较小的迎流角有利于改善传热性能。随着流速的增大，强化对流换热，较小迎流角更有利于流动的均匀性并提高了局部换热效率。

(3)相比于45°迎流角微通道散热器，30°迎流角微通道散热器压降更低，传热性能更好；但45°迎流角微通道散热器的温度均匀性更好。