水和甲醇在硅基微通道中换热特性的实验研究

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1、’#MB!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月水和甲醇在硅基微通道中换热特性的实验研究"甘云华’#!’""!徐进良’K中国科学院广州能源研究所!广州%’"C#"&!K中国科学技术大学热科学与能源工程系!合肥!$""!C摘要!!以水和甲醇为工质#在三角形硅基微通道热沉中进行了层流流动与换热的实验研究K基于实验结果#得出了摩擦常数及平均)G88461数的实验关联式K并发现入口段效应对微流体的流动与换热的影响十分显著K在相近的工况下对采用这两种工质时的微通道壁温进行了比较#结果表明采用水为工质时壁温较低#其原因主

2、要在于水的导热系数及比热均较高的缘故K并对这两种工质在微通道中流动与换热综合性能进行比较#结果发现采用水为工质时具有较好的综合性能K关键词!!微电子机械系统!微尺度传热!高热流密度!微通道!!近年来!由于高热流密度电子冷却的需要及微本研究采用水和甲醇为工质!在三角形截面硅电子机械系统#PEPS%的迅猛发展!微流体的流动基微通道热沉中进行了层流流动与换热的实验测及换热特性引起了国内外学者的极大关注Ka:/3.量K考察了入口段效应对微流体的流动与换热的影)’*等对矩形截面铝基微通道热沉中水的流动及换热响K在相近

3、的工况下对采用这两种工质时的微通道)!*特性进行了实验研究KV44等对矩形截面铜基微壁温进行了比较!并对这两种工质在微通道中流动通道热沉中水的换热特性进行了实验及数值研究K与换热综合性能进行了比较K然而!为了更好地与电子元件集成!越来越多)$,#*%!实验系统地采用硅基微通道热沉KAG等在梯形截面硅基微通道中进行水的层流流动及换热特性的实验研本实验系统如图’所示!主要由恒温恒压供液究K而这些研究都致力于充分发展状态下的层流换系统"实验段"传感器及数据采集系统"红外测热特性K但是由于电子元件的尺寸越来越小!在

4、微温系统和流量测量系统组成K本实验采用水和甲醇通道当量直径不太小的情况下!在微通道进口段或作为工质K储液罐里的工质在预热到一定温度后!整个通道内微流体的流动与换热常常处在发展中状被高压氮气所推动依次流过!过滤器"实验$F)%*态K因此!入口段效应将不容忽视KU/-等对矩形段"换热器及容器K工质的预热温度由恒温控制单截面铜基微通道中水的流动及换热入口段效应进行元来控制K恒温控制单元主要由温控仪"电压表"了实验研究K电流表"变压器及加热器等组成!控温精度为)C*Q43.等在矩形截面微通道中!以水和甲醇为k"K%

5、cK压缩空气的压力由高精度的调节阀门调工质进行单相强制对流换热的实验研究K然而!他节K实验段进出口工质温度由热电偶测量!其精度们没有对这两种工质的换热性能进行比较K而对于为k"K$cK实验段进口压力由S410/!"C压力传感微通道热沉的设计来讲!无论采用沸腾换热还是采器测量!其精度为k’XK实验段进出口压差由用单相强制对流换热!工质的选择都至关重要KS434_差压传感器测量!其精度为k"K’XK所有这!!""%&"#&!B收稿!!""%&"C&!M收修改稿!"国家自然科学基金资助项目#批准号$%"#(C"B

6、B%!""通讯作者!E&F/56$_Gb6!F8K.549K/9K93!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月’#MM些测量信号经+Q$#M("=高速数据采集系统传输到验段加热区域壁面温度由,V*7@:40F/;=P计算机中K工质的质量流量通过直接称量法来测量!S;$"""红外热像仪来进行非接触连续测量!其精度所用的电子秤精度为"K"!.!秒表精度为"K"’8K实为k"K%cK图%!实验系统!!实验段采用标准的PEPS工艺加工而成!主要由硅基"耐热玻璃及金属铂加热膜三部分组成K采用化学蚀刻的方法在硅基中加工出

7、微通道!加工精度为k’采用静电键合技术将耐热玻璃与硅基$FK上表面键合在一起!可以透过耐热玻璃进行可视化测量K采用化学蒸汽沉积法在硅基底面溅射一层厚度为’""3F的铂!在通电后作为热源K加热功率由数字功率计与变压器来进行调节!精度可达"K’AK本实验段含有’"个并行三角形截面的微通道!其几何尺寸如图!所示K微通道的当量直径为’%%K$!$F加热区域的大小为’CFFg#K!FFK&!数据处理与误差分析据表观摩擦阻力系数的定义可得图&!实验段结构图!%!#’%#5%D,:+#!=$*工质的平均流速可由下式得出其

8、中%D为实验段的进出口压差K由于进出口联箱*5++#?$:9%/#!%上的压力损失及微通道进出口局部阻力损失与整个微通道上总的阻力损失相比很小!因此这里忽略进!!根据摩擦常数的定义并结合#’%和#!%式可得出口联箱上的压力损失及进出口局部阻力损失K而!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月’%""!+#!%5%D?:!+#!5+=%/热功率’",("A#对应的热流密度’K!g’"%,BK#g#>C5%D,:$5*=