更新时间：2022-12-30 16:47
微尺度换热器是一种在高新技术领域中具有广泛应用前景的前沿性新型超紧凑换热器，通常把面积体积比大于5000 m2/m3的换热器称作微尺度换热器。 微尺度换热器的特点在于单位体积内的传热表面积很大，表现出热阻低、质量轻、体积小和工作流体的流量小等等。它们的主要缺点是对结垢非常敏感，因此必须使用纯净的工作流体。微尺度换热器具有很广泛的应用潜力，例如电子芯片的冷却、飞机和宇宙飞行器的冷却、低温冷却器(超流体氦、液态氮)、高温超导体的冷却、强激光镜的冷却和Stirling发动机的冷却等领域。详细介绍了其研究进展、产生背景、特点、热流计算以及强化微尺度换热等。
微尺度换热器是一种在新技术领域中具有广泛应用前景的前沿性新型超紧凑换热器。自从硅集成电路问世以来，电路的集成度增加了几个量级。相应地，每个芯片产生的热量还将大幅度增加，这给微电子器件的热控制提出了新的挑战。微尺度换热器就是在这种背景下发展起来的一种新的冷却技术。
近年来，国内外众多学者对微尺度流动传热进行了大量实验与模拟研究。Adham 2013年，Ahmed 2013年，Gnielinski2013年，Yang C.Y 2012年，戴传山2011年，朱建军2011年，王秋香2010年，
Abraham 2009年，Duan Z. P 2010年，Dalkilic A.S2010年，Hooman K.2009年，王如竹2009年等众多学者用实验和数值模拟研究了45μm-3 mm微通道为微流动传热现象。研究工质涉及去离子水，液氮，甲醇，R12, R134a等，主要研究了矩形、梯形、三角形截面微槽道、窄条缝、深沟窄条缝、硅基并行多条缝、铜基微通道、不锈钢管、微细石英管、毛细铜管等微截面形状的流动与传热特性，影响因素也由基本的Re, Pr等扩展到表面粗糙度、几何参数、表面材料、轴向导热、薪性耗散、入口段长度、表面张力、速度滑移、温度跳跃等。
Adham2013年对微通道散热器内传热与流动特性作了综述报道。微通道换热器研究中(10-1500 }m当量直径)以矩形截面微通道最为常见，其次是梯形截面，三角形截面等，研究微细圆管换热器的并不多见。内部循环工质涉及去离子，空气，甲醇，制冷剂,氨以及纳米流体等。研究方法包括实验法，数值计算，分析求解法等。微通道的材质己从以前常用的铜，铝，硅等发展到不锈钢，有机玻璃，石墨等。
戴传山 2011年通过实验研究了微细管管壳式换热器的流动与传热性能。提出了换热特性的努塞尔数准则式与流动阻力系数的准则式，分析了微细管管壳式换热器的传热流动综合性能，并与传统的管壳换热器进行了分析对比。结果表明:微细管管壳式换热器传热流动综合传热性能是传统管壳式换热器的2到5倍，且在实验范围内随着雷诺数的增加而增加。
Ahmed 2013年用3D Fluent数值模拟研究了石墨，铝，硅三种材质的微细矩形通道散热器(截面56X320 }m)的换热情况。通过对管壁导热和管内对流换热的研究，结果表明石墨是换热效率较高的材质。当量直径小于1 mm的换热器在微化学反应器里有很多应用。
传热过程中剪切速度对传热特性的影响进行了探索。Sun计算了高剪切率下纳米流体的导热系数，发现其有效导热系数随剪切率的增加而线性增加。白敏丽等也应用分子动力学方法对纳米流体在不同剪切素下的纳米尺度Couette流进行了模拟统计分析，发现纳米颗粒存在旋转和平移运动，造成速度分布成非线性的，加强了湍流效果。
微尺度换热器是一种在高新技术领域中具有广泛应用前景的前沿性新型超紧凑换热器。文献中通常把面积体积比大于5000 m2/m3的换热器称作‘微尺度换热器”。而在过去，由于受传统加工方法的限制，紧凑型换热器的面积体积比虽大于700 m2/m3，但远小于5000 m2/m3。
自从硅集成电路(IC)问世以来，电路的集成度增加了几个量级。随着运算速度的进一步提高，电路集成度将继续提高。相应地，每个芯片产生的热量还将大幅度增加，这给微电子器件的热控制提出了新的挑战。微尺度换热器就是在这种背景下发展起来的一种新的冷却技术。“微型槽道散热器”的概念首先由Tuckerman和Pease于1981年提出，它常被用作冷板。用于两种流体进行热交换的微尺度换热器首先由Swift Migliori和Wheatley于1985年研制出来。微制造技术的最新成就使人们能够制造出由水力直径为10-103μm的微小槽道组成的微尺度换热器。Cross和Ramshaw研制了一个槽宽400拼 m、深度为300}m的印刷线路换热器，它的单位体积换热系数为7 MW/(m3k)。 Friedrich和Bang研制了一个由梯形槽道组成的微型换热器(槽道的底部宽100μm、上部宽260μm、深80μm、槽道间距260N,m)。该换热器由40片铜箔组成、每片铜箔上有36个微型槽道。研究表明，在非常保守的设计和运行条件下，其体积换热系数达到45 MW/(m3k)。
微尺度换热器或微型槽道散热器的流动槽道一般是在很薄的硅片、金属或其它合适的材料薄片上加工而成的。这些薄片可以单独使用，形成平板式换热器12,5];或者焊在一起，形成顺流、逆流或交叉流换热器。微型槽道和/或翅片的加工已有多种方法:光刻、定向蚀刻、微型工具的精确切削等技术。
微尺度换热器的特点在于单位体积内的传热表面积很大，表现出热阻低、质量轻、体积小和工作流体的流量小等等。它们的主要缺点是对结垢非常敏感，因此必须使用纯净的工作流体。微尺度换热器具有很广泛的应用潜力，例如电子芯片的冷却、飞机和宇宙飞行器的冷却、低温冷却器(超流体氦、液态氮)、高温超导体的冷却、强激光镜的冷却和Stirling发动机的冷却等领域。
微尺度高效换热器采用开式节流制冷技术’‘’，通过制冷剂在微小槽道内的沸腾换热来冷却内部空间。由于槽道壁面温度大于制冷剂的饱和蒸发温度，因此，制冷剂在槽道内发生相变，吸收大量热量。微尺度高效换热器具有结构紧凑、低热阻和热流密度大等特点。
CFD是计算流体力学(Computational Fluid Dy-namics)的简称。CFD技术通常是指采用计算流体力学的理论及方法，借助计算机对工程中的流动、传热、多相流、相变、燃烧、化学反应等现象进行数值预测的一种工程研究方法。随着现代科学技术的不断进步，人们对相变现象建立了相应的理论框架及计算模型。
模拟气液两相流动与传热的数值方法主要分为颗粒轨道模型、双流体模型和运动界面追踪技术，其中运动界面追踪技术最能准确、全面地反映气液两相间的信息。目前，FLUENT是最广泛使用的数值模拟软件，它采用流体体积(VOF)方法追踪相间的运动界面，能较准确地模拟相间的蒸发和冷凝现象。
目前，关于纳米流体强化微尺度换热问题的研究还处于起步阶段，无论是在纳米颗粒的种类还是微尺度换热器的种类上都存在很多的局限性。学者们虽然做了大量的实验研究，但是相互间的实验结果却存在着差异甚至是不一致的地方。另外，由于纳米颗粒的尺度极小，对其微观运动的观察研究较困难，这也导致了目前对于纳米流体强化换热的微观机理研究还不是太多。今后，可以从以下这几个方面进行更加深入的研究:
(1)改进完善实验方案，扩大纳米流体和微尺度换热器的种类范围，尽量保证实验的准确性，实验模型应具有针对性，应该更加符合实际应用。
(2)借助更加先进的实验仪器和观测手段，着重观测纳米流体的微观行为以及运动状态，从微观角度分析纳米流体强化微尺度换热的机理。
(3)探索纳米流体强化微尺度换热的影响因素，建立和完善相应的数学模型，尽量做到具有统一和普适性。
微尺度流动和换热的研究己经有几十年的历史了，其理论及实际应用都有了长足的进步，并具有良好的发展前景。但是，在微尺度流动和换热的研究中仍存在着不少问题，需要广大研究者进行更深层次的研究以解决。存在问题概括如下:
(1)微尺度范围内的相关理论仍不完善，如超低速流动时的蠕变效应问题，以及超高速流动时连续介质方法的有效性和适用范围等仍存在争议，需要进一步研究。
(2)己有的数值模拟方法具有局限性。在微尺度流动中，极有可能会出现跨两个或几个区域的流动，单纯采用连续介质模型或者分子运动模型都无法对其进行准确
微尺度换热器虽已在最近十几年单得到了迅速的发展，在高技术领域中找到了越来越多的用武之地，但仍然存在一些需要探索的方面。本文对微小槽道和多孔介质对传热的强化效果进行了一番比较，发现:多孔介质对传热的强化效果更好，但同时压力损失·也更大。在相同的压降下，多孔结构强化传热的效果似更好一些，但是所能通过的流量太小.因此，在发展‘多孔介质式微尺度换热器”时，应对其结构进行优化设计。