流体横掠圆形微针肋热沉流动与传热特性

本文研究的主要内容是探讨流体横掠圆形微针肋阵列热沉（SCP3）时的流动与传热特性。在实验中，使用去离子水作为冷却介质，研究了不同雷诺数（Re）下的摩擦阻力系数和热沉的换热性能。研究发现，当雷诺数较小时，摩擦阻力系数随着Re的增加而显著减小；同时，Re对热沉换热性能的影响非常大。通过实验数据分析，还观察到针肋的布置方式在Re较大时对摩擦阻力系数有显著影响。此外，孔隙率较小的热沉会产生更大的阻力，但具有更好的传热性能。 在微尺度下，关于流体横掠针肋的文献相对有限，但已经表明宏观尺度下的实验关联式不再适用于微尺度流动与传热。先前的研究中，Kosar等人研究了用工质水横掠微针肋阵列热沉的单相流动与传热特性，而Prasher等人则研究了水横掠叉排微针肋阵列热沉的流动与传热性能。夏国栋等人研究了去离子水横掠方形微针肋阵列热沉的传热性能，并指出方形微针肋热沉具有优越的换热特性。 实验采用的微针肋热沉SCP3是利用微电子机械系统（MEMS）工艺制造的，其基板为单晶硅，利用深反应离子蚀刻（DRIE）技术在硅片上刻蚀出针肋阵列。正面通过键合Pyrex7740玻璃形成闭合的微通道，背面利用物理气相沉积（PVD）技术溅射一层铂（Pt）加热膜以模拟加热功率。SCP3的微针肋采用圆形并采取叉排布置方式，其直径D为90微米（µm），肋高H为200微米，横向间距ST为254微米，纵向间距SL为127微米，斜向间距SD为180微米，孔隙率为0.80。 实验系统包括去离子水驱动、恒温水槽、过滤器、实验段、收集容器以及用于测量流量、压差和温度的仪器设备。实验过程中，工质从储水桶经由平流泵驱动进入实验系统，经过恒温水槽控制入口水温约在20°C，通过过滤器去除杂质，然后流入实验段冲刷针肋阵列。实验段进出口压差使用差压变送器进行测量，工质的进出口温度由铜-康铜热电偶检测。通过数据采集仪器Agilent34970A来收集压差和温度数据。 此外，Pt加热膜的电阻和温度线性关系的标定是为了在实验过程中记录加热膜电阻的变化，进而得到加热膜平均温度。Pt加热膜两端电压通过Agilent34420A纳伏/微欧表测量，电流则由HP34401A数字万用表测量。平均加热热通量由测量的电压和电流来确定，而热通量误差主要由加热膜面积的测量不确定性造成。 研究者进一步对SCP3热沉结构和加工工艺进行了描述，强调了MEMS工艺在微针肋热沉制造中的重要性。由于研究仍处于起步阶段，微针肋热沉流动与传热机理有待进一步探索。通过对实验数据的处理与分析，为微针肋热沉在传热强化与过程节能领域的应用提供了实验基础和理论依据。通过实验结果的对比分析，本研究为微尺度下流体横掠针肋的流动与传热特性提供了新的见解，尤其是在不同Re数和针肋布置方式下的摩擦阻力系数变化，以及孔隙率对阻力和传热性能的影响。这些结果对微通道热沉及微针肋热沉的设计和优化具有指导意义，有助于在半导体工业等需要高效散热的应用场景中实现更好的热管理。