近年來，隨著微電子工業(yè)和MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，電子芯片的高集成度所帶來的高熱流密度使其性能的進(jìn)一步提高受到了制約，如何實現(xiàn)電子芯片的快速高效散熱已成為研究的熱點。由于傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)如水、礦物油和乙二醇等的熱導(dǎo)率都較低，無法滿足高熱流密度電子冷卻的需要，因此提高工質(zhì)熱導(dǎo)率成為研究新一代高效冷卻技術(shù)的關(guān)鍵。1995年美國Argonne國家實驗室的Choi等提出納米流體概念，是將納米技術(shù)應(yīng)用于熱工領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究。納米流體是一種將固體納米粒子分散到基液中形成的膠狀混合物。由于分散的固體粒子的熱導(dǎo)率一般比液體高出幾個數(shù)量級，因此形成的納米流體有較高的熱導(dǎo)率。同時，由于分散的粒子尺度在納米量級，不會帶來像毫微米級粒子那樣對器件的磨損問題，這使得納米流體作為強(qiáng)化換熱的新型工質(zhì)受到了工程技術(shù)專家的重視。

目前，對于納米流體在常規(guī)通道及普通毫米級小通道內(nèi)的對流換熱研究已取得了一些進(jìn)展。李強(qiáng)等對當(dāng)量直徑為1.29ｍｍ的小扁管進(jìn)行了水銅納米流體的對流換熱實驗研究，發(fā)現(xiàn)相同Reynolds數(shù)下，換熱得到強(qiáng)化，阻力并未明顯增加。戴聞亭等對當(dāng)量直徑0.68、1.01和1.28ｍｍ的細(xì)圓管進(jìn)行了水基氧化銅納米流體的對流換熱實驗研究，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的加入可以使流體的換熱性能得到顯著改善。Lee等對當(dāng)量直徑341μｍ銅基矩形微熱沉內(nèi)A1203納米流體的換熱特性進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)納米流體對于單相層流換熱有強(qiáng)化效果，但在兩相時，由于粒子沉積附著在通道壁，致使換熱惡化。迄今，對當(dāng)量直徑小于200μｍ的芯片微通道納米流體的流動換熱特性還很少有研究報道。

鑒于微電子芯片冷卻對高效換熱介質(zhì)的需求，本文將開展當(dāng)量直徑小于200μｍ芯片微通道中納米流體流動換熱特性的研究，考察不同Reynolds數(shù)、不同Prandt1數(shù)和不同體積分?jǐn)?shù)對換熱特性的影響，探索納米流體強(qiáng)化芯片微通道傳熱規(guī)律，以期為高效微電子芯片冷卻設(shè)計提供指導(dǎo)。

１實驗系統(tǒng)及方法

１?１實驗裝置

實驗裝置如圖１所示，主要由測試流體供給系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、實驗測試段、壓力傳感器（Ｄｒｕｃｋ，精度0.06％）、穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和稱重計量系統(tǒng)組成。儲液罐中的工質(zhì)在高壓氮氣壓送下，依次經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥、恒溫水浴（精度0.1℃）、過濾器和入口壓力傳感器，進(jìn)入水平放置的平行硅片微通道測試段。流經(jīng)測試段的工質(zhì)平均質(zhì)量流量由電子天平計量，天平精度為0.01ｇ，秒表精度為0.01ｓ。加熱功率由高精度穩(wěn)壓電源提供，精度為0.1％。

圖１實驗裝置圖

測試段（圖２）由硅片、熱電偶、電絕緣層、加熱絲以及保溫層等組成，硅片底部沿通道方向均勻布置有５個熱電偶測點（直徑為0.1ｍｍ，精度為0.1℃），用以測量硅片底面溫度。加熱薄片布置在硅片底面，并覆蓋整個微通道區(qū)域。硅片和加熱層中間布置有一層高導(dǎo)熱性的電絕緣層，以保證熱電偶信號不受干擾，如圖２（ａ）所示。為減少熱損失，硅片四周及金屬加熱薄膜底部布置有絕熱層。實驗所用硅片微通道采用ＭＥＭＳ濕法刻蝕工藝加工而成，微通道截面為梯形，如圖２（ｂ）所示，通道尺寸見表１。

１?２納米流體的制備及物性

本實驗采用兩步法制備納米流體，所使用的γ?Ａ1203納米粒子購自美國的納米相公司，粒形為球狀，平均粒徑為56ｎｍ，樣品的透射電鏡照片如圖３所示。由于實驗中粒子的體積分?jǐn)?shù)很小，又考慮到添加分散劑會對納米流體物性如黏度、熱導(dǎo)率等造成影響，故本實驗中沒有使用分散劑，而是利用靜電穩(wěn)定機(jī)制配制得到穩(wěn)定的納米流體。Lee等的研究表明，納米粒子表面荷電是影響納米流體性質(zhì)的重要因素，基液的ｐＨ值直接影響了納米粒子的表面荷電狀況及其在膠體體系中的分布尺寸，通過改變基液ｐＨ值，可使低濃度的納米流體具備良好的穩(wěn)定性。本實驗中先將去離子水的ｐＨ值調(diào)至4.5，使其遠(yuǎn)離Ａ1203納米粒子的等電點，之后添加適量納米粒子經(jīng)超聲振蕩（120Ｗ，40ｋＨｚ）配制而成，經(jīng)試驗，最佳超聲時間約為90ｍｉｎ。配制的納米流體在使用前和使用后狀況如圖４所示，使用過程中未見任何沉淀，說明本實驗所使用的納米流體具有良好的分散性。

圖２測試段簡圖

表１微通道尺寸

本文中納米流體的物性采用式（１）～式（５）計算：

密度

動力黏度

運動黏度

熱導(dǎo)率

比熱容

圖３Ａｌ２Ｏ３納米流體電鏡照片

圖４配制的Ａｌ２Ｏ３納米流體

１?３數(shù)據(jù)處理與誤差分析

工質(zhì)的所有物性參數(shù)均以（犜ｉ＋犜ｏ）／２為定性溫度進(jìn)行計算。根據(jù)實驗儀器精度及誤差傳遞原理，可得到各測量值的最大相對誤差，見表２。

表２測量誤差

２實驗結(jié)果與分析

本實驗控制參數(shù)主要有：工質(zhì)流量、工質(zhì)入口溫度和加熱功率。流量調(diào)節(jié)閥可改變流量，同時實現(xiàn)Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)的改變。通過恒溫槽調(diào)節(jié)工質(zhì)入口溫度則可以控制換熱的平均Ｐｒａｎｄｔｌ數(shù)。

２?１流動特性

納米流體的流動阻力特性是影響其工程應(yīng)用的重要因素。流動阻力特性實驗在流體溫度恒定２４℃時進(jìn)行，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)范圍為１９１～１０２０，屬層流范圍。圖５給出了相同體積流量下納米流體與去離子水進(jìn)出口壓差的比較。由圖可見相同體積流量下，納米流體進(jìn)出口壓差比去離子水略有增加，但增加并不明顯，對0.26％納米流體，進(jìn)出口壓差平均增幅3.5％，最大不超過５％，說明低濃度的納米流體不會比水耗用過多的泵功；體積分?jǐn)?shù)對納米流體進(jìn)出壓差影響不明顯，0.15％納米流體和0.26％納米流體進(jìn)出口壓差相差小于１％。為比較納米流體與水的流動阻力特性，繪制了圖６所示的量綱１流動摩擦因數(shù)與Ｒｅｙｎｏｌｄｓ數(shù)關(guān)系圖。從圖中可以看出，納米流體摩擦因數(shù)與犚犲的變化關(guān)系與去離子水相似；相同犚犲下，納米流體摩擦因數(shù)較去離子水略有增加，但并不明顯，平均增幅4.4％，最大不超過5.6％；體積分?jǐn)?shù)對納米流體摩擦因數(shù)影響較小。

圖５納米流體和去離子水在相同體積流量下壓降的比較

圖６納米流體和去離子水流動阻力特性比較

２?２換熱特性

２．１體積分?jǐn)?shù)的影響圖７顯示不同濃度納米流體和去離子水在平均Ｐｒａｎｄｔｌ數(shù)為５．８時的換熱特性。由圖可以看出芯片微通道內(nèi)納米流體和水存在相似的對流換熱特性，即犖狌都隨犚犲的增大而增大；使用納米流體以后，換熱得到明顯強(qiáng)化，且體積分?jǐn)?shù)越大，納米流體強(qiáng)化換熱效果越明顯。在實驗范圍內(nèi)，體積分?jǐn)?shù)０．１５％的納米流體換熱犖狌比去離子水增強(qiáng)４．２％～５．７％，平均增強(qiáng)５％；而０．２６％的納米流體則增強(qiáng)１０．１％～１５．７％，平均增強(qiáng)１３％。其原因為：由于納米流體的熱導(dǎo)率比水高，且體積分?jǐn)?shù)越大，熱導(dǎo)率也越大；添加納米粒子以后，由于粒子的微運動使得通道截面的溫度分布更趨均勻；納米粒子與微通道壁的相互作用使得換熱邊界層受到擾動，從而起到強(qiáng)化換熱效果。

圖７濃度對流動換熱特性的影響

流體換熱性能的提高通常伴隨耗用泵功的增加，為進(jìn)一步評價納米流體的強(qiáng)化換熱效果，對相同泵功下納米流體和去離子水的換熱熱阻進(jìn)行了分析。圖８表明在相同泵功下，納米流體的換熱熱阻與去離子水相比有明顯下降，且納米流體的體積分?jǐn)?shù)對熱阻影響明顯，濃度升高熱阻下降。體積分?jǐn)?shù)為０．１５％和０．２６％的納米流體的熱阻比去離子水平均分別下降了４．８％和１１．５％，顯示了納米流體作為強(qiáng)化換熱工質(zhì)的優(yōu)勢所在。從圖中還可以看出，無論是去離子水還是納米流體，其換熱熱阻均隨泵功增加而減小，在低流量時，熱阻隨泵功增加下降較快，高流量時則趨于平緩，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)［１５］的數(shù)值模擬結(jié)果相似。

２．２Ｐｒａｎｄｔｌ數(shù)的影響圖９通過改變?nèi)肟跍囟群土髁空{(diào)節(jié)，分別得出體積分?jǐn)?shù)為0.15％的納米流體和去離子水在不同犘狉和犚犲下的換熱特性。由圖可見：納米流體犖狌隨犘狉降低而降低，但比同等條件下去離子水有明顯增加。計算表明，體積分?jǐn)?shù)為0.15％的納米流體在犘狉＝4.6時換熱平均增強(qiáng)6.2％，在犘狉＝5.8時換熱平均增強(qiáng)5.0％。

圖８濃度對熱阻的影響

圖９Ｐｒａｎｄｔｌ數(shù)對流動換熱的影響

這是由于在較低犘狉時，流體平均換熱溫度較高，所對應(yīng)的納米流體熱導(dǎo)率也較高，同時在較高溫度時，納米粒子的熱運動更加劇烈，納米粒子與微通道壁的作用也更加頻繁，從而加快了熱量的傳遞。圖９還顯示，犘狉?qū){米流體和去離子水換熱犖狌的影響隨犚犲的增加而更為明顯。

圖１０為體積分?jǐn)?shù)0.15％的γ?Ａ1203納米流體與去離子水在相同泵功下的換熱熱阻比較。圖１０表明使用納米流體后，熱阻下降較為明顯。對于同一種工質(zhì)，犘狉越小，換熱熱阻也越小，但是與納米流體的體積分?jǐn)?shù)對熱阻的影響（圖８）相比，犘狉?qū)Q熱熱阻的影響相對較小。

２．３實驗關(guān)聯(lián)式根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合得到梯形硅微通道內(nèi)低濃度納米流體層流對流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如下

圖10 Ｐｒａｎｄｔｌ數(shù)對換熱熱阻的影響

擬合值與實驗值的比較如圖１１所示，平均絕對偏差為2.4％，最大正偏差為6.7％，最大負(fù)偏差為－4.8％，擬合相關(guān)系數(shù)0.94，說明上式能較好地預(yù)測實驗結(jié)果。式（１６）適用于本實驗段尺寸、低濃度（0.26％）下γ?Ａ1203納米流體在梯形硅微通道中的層流對流換熱犖狌的預(yù)測，其中犚犲范圍200～1300，犘狉范圍4.6～5.8，對于其他范圍的適用性有待驗證。

圖11 Ｎｕｓｓｅｌｔ數(shù)預(yù)測值與實驗值的比較

微通道內(nèi)納米流體的對流換熱還處于初步研究階段，由于微尺度效應(yīng)，硅微通道內(nèi)納米流體的換熱機(jī)理與常規(guī)通道有所不同。在微通道內(nèi)，納米粒子本身的微運動以及其與微通道壁面的相互作用對流動換熱的影響比常規(guī)通道顯著，深入的理論解釋有待進(jìn)一步研究。

３結(jié)論

對去離子水、體積分?jǐn)?shù)分別為0.15％和0.26％的水基γ?Ａ1203納米流體在當(dāng)量直徑為194.5μｍ的梯形硅基微通道內(nèi)的層流流動和換熱特性進(jìn)行了實驗研究，得到以下結(jié)論。

使用低濃度（0.26％）的納米流體，微通道進(jìn)出口壓降與去離子水相比基本相同，流動阻力特性與去離子水相似。

無論是去離子水還是納米流體，硅微通道內(nèi)Nusselt數(shù)都隨著Reynolds數(shù)和Prandt1數(shù)的增加而增大，納米流體體積分?jǐn)?shù)是影響換熱的重要因素，濃度越大，換熱越強(qiáng)；納米流體的強(qiáng)化換熱效果在較低Prandt1數(shù)時，即流體平均溫度較高時有所增強(qiáng)。

熱阻隨流量增加而減小，且在低流量時減小得較快，高流量時則趨于平緩；相同泵功條件下，納米流體換熱熱阻比去離子水有明顯下降；納米流體在硅微通道中的流動換熱總體性能優(yōu)于水。

基于實驗數(shù)據(jù)，擬合了梯形硅微通道中低濃度納米流體層流對流換熱Nusselt數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式。

文獻(xiàn)來源化工學(xué)報文章編號：0438-1157（2008）09-2181-07作者：吳信宇，吳慧英，屈健，鄭平（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）