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1、微尺度传热Microscale Heat Transfer,微型换热器,目录,一、微尺度传热产生的背景及发展二、微尺度传热的特点三、微尺度传热研究的主要问题四、微尺度传热应用的主要领域 五、参考文献,一、 微尺度传热产生的背景及发展,早期的微尺度传热学研究主要集中在导热问题上，之后则扩展到辐射和对流问题。关于微尺度下热导率依赖于材料厚度的认识追溯到20世纪30年代，且最早是由物理学家认识到的：20世纪60年代后期，热物理学家(其中尤以美国加州大学的旧反霖教授为代表)开始注意到一系列工程器件中的传热问题的尺寸效应，于是微尺度传热学俏然兴起，特别到80年代后期进展更为迅速。因此，对于所有微电子机械
2、系统（MEMS）的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺度内的微机电性质及材料的热物性、热行为等已经成为边在眉睫的任务；于是现代热科学中的一门崭新学科微米纳米尺度传热学应运而生。1997 年国际传热传质中心首次召开了微传热的国际会议,成为微尺度传热这一学科正式建立的标志 1 。 微细尺度传热问题的工程背景来自于80年代高密度微电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统中的流动和传热问题它的特点是, 当空间和时间尺度微细化后, 出现了很多与常规尺度下不同的物理现象, 其原因,可以分为两大类一类是连续介质的假定不再适用,另一类则是各种作用力的相对重要性发生了变化所需研究的挑战性问题有, 导热系数的
3、尺度效应、导热的波动现象, 微小通道中流动和传热, 流动压缩性和界面效应等的影响, 微细尺度下的辐射和相变等。 目前大部分的文章探讨了激光脉冲加热的金属薄膜,或是对半导体等薄膜材料的研究和集中于某种材料的制备方法和应用的研究,如若对非金属薄膜材料的传热机理加以研究, 将使体积和重量不断减少的半导体微尺度器件促成一些新的工程应用, 开辟新的市场,并为有关基础探索提供了崭新的研究手段。,二、 微尺度传热的特点,微细尺度传热是近些年形成的一个新的学科分支，主要研究空间尺度和时间尺度微细情况下的传热学规律。当尺度微细化后，其动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，换言之，当研究对象微
4、细到一定程度以后 ,出现了流动和传热的尺度效应。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。随着研究对象的不同,出现微尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围: - 微米- 亚微米- 纳米- 团簇- 原子- 其中微米范围的上限是在100m 以下,而亚微米通常定义为0. 1m 以下至nm 之间。团簇一般定义为尺度为1nm 以下的原子聚合体,由几个到几百个原子构成。在亚微米和团簇之间的1nm100nm 范围是纳米体系所在处。目前集成
5、电路的特征线条尺寸已进入纳米范围。通常所说的时间微尺度的范围是: - ns (10 - 9s) ps ( 10 - 12s) -fs (10 - 15s) - 其中ns 是目前数字系统如计算机的时钟脉冲宽度的量级。,图1 多尺度的客观世界,微尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的不同的原因： （1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时，基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导热系数等概念要重新讨论 , N-S方程和导热方程等也不再适用。 （2）物体的特征尺寸远大于载体粒子的平均自由程，即连续介质的假定仍能成立,但是由于尺度的微细,使原来的各种影响因数的相
6、对重要性发生了变化,从而导致流动和传热规律的变化。,三、微尺度传热研究的主要问题,微尺度导热微尺度流动和对流换热微尺度热辐射微尺度的相变传热,1、微尺度导热,导热系数的尺度效应 导热系数的尺度效应的物理机制来自于两个方面：一是与导热问题中的特征长度有关；另一方面导热能力与材料中晶粒大小有关，当尺寸减小时，晶粒尺寸会随之减小，由于晶粒界面增大，所以输运能力减弱，导热系数降低。导热的波动效应 研究导热问题时，最常用的是傅立叶定律，即热流与温度梯度成正比，然而 ,在研究快速瞬态导热时,发现傅立叶定律不再适用，此时热量温度传播是以波动方式传播，这与基于傅立叶定律的抛物型导热方程所阐述的的能量传递方式有
7、很大不同。导热的辐射效应 电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。,2、微尺度流动和对流换热,流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，而应是雷诺数的函数。微细通道湍流的 Nu比常规情况高微细通道流传热数据很分散微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小,影响微细流动与传热现象的某些因素：,流体的压缩性 由于微细通道内压力降很大，导致流体密度沿程有明显的变化，所以必须考虑流体的压缩性，它不仅会形成加速压降，而且还将改变速度剖面。界面效应 在微细管道中液体表面张力将起更为重要的影响，此外
8、，由于固壁有时带静电,液体可以有极性 ，静电场的存在会阻碍液体中离子的运动，从而使液体流动阻力增加，同时对微细管道中传热也会有重要影响。气体稀薄效应,通常用努曾数来表示气体稀薄的程度,当kn1，连续介质区；0.01kn0.1， 滑移区； 0.1kn1，过渡区， kn1，自由分子流区；气体的稀薄性一般导致气体流动阻力降低和换热减弱。,微喷管：缝宽19微米， 深308微米,图2 微喷管,3、 微细尺度热辐射,在微尺度条件下热辐射主要与声子自由程、光子波长和光子相干长度有关。辐射性质与微尺度的关系, 几何光学区、电磁微尺度区、电子传输微尺度区、量子尺寸区的辐射特性,微尺度辐射与传统几何光学区辐射的偏
9、离; 薄膜、微槽表面的热辐射特性及其制造过程中的热控制;微多孔材料内的辐射热传输。,4、 微细尺度的相变传热,相变传热中的微细尺度传热问题可分成两大类：一是常规尺度容器中的沸腾或凝结中尚有很多微细尺度的传热问题没有很好地解决：如有关汽泡、液滴的成核和相变过程中的薄液膜换热等等，核的存活直径和液膜厚度都具有亚毫米至微米量级另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。,四、微尺度传热的主要应用领域,1、薄膜中的热传导 1987年 ,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K以上具有超导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半
10、导体均可工作的温度范围 ,于是一种集超导体-半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应用密切相关 ,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为提高仪器性能的关键所在。,2、计算机元器件及其传热问题,近年来 ,微电子工业发展的一个显著特点是个人计算机和工作站呈爆炸般增长,MEMS的影响遍及仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、 导航及计算机应用等几乎所有现代科技领域。我国也开展这一学科的研究 ,并在纳米科学的某些领域如定向碳纳米管阵列、 一维纳米线等还取得了引人注目的成就。 所有这些都说明微米/纳
11、米电子机械系统本身所具有的独特的魅力和意义，在这些小型或中型尺寸的系统中 ,无一例外地要用到受迫对流空气来冷却发热器件。,图3,图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见，所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在3000Wm37000wm3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最高，达7000Wm3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小声学噪音；其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却流体空间；第三同样的要求不允许
12、在模块上安装大容量热沉(扩展表面)；第四，低造价的原则要求尽可能地采用塑料封装；露片，而这又会增大芯片与模块表面之间的导热热阻，于是热量将主要聚集在基底材料上、所以，针对各类电子器件中相当高的热源密度(图4)，寻找具有高效热输运效能的微槽传热方法多年来一直是人们探索的主题。,图4,3、微型换热器及其传热问题,微型换热器涉及相当广泛的领域 ,在电子器件、微电子机械系统、 一些现代最先进的生物技术和微医疗仪器等方面都得到了充分的应用。随着当前微系统与纳米技术的飞速发展 ,各种令人耳目一新的微型换热器层出不穷。现代微制造技术的进展已经使得加工由多个水力学直径在 101000m之间的微型管道组成的换热
13、器成为可能。,图5,图6,直径120微米不锈钢管,直径50微米石英玻璃管,当量直径52微米石英玻璃管,图7,4、微尺度热驱动技术,在某些环境下 ,热信号被认为是控制一些“微小”机器的最合适的工具之一,除电场之外 ,温度或温度梯度可对一定成型表面上的微小流体流动起到导向作用,这可能具有重要的应用前景 ,另一个微尺度热控制的例子可在打印机工业中找到。,5、微尺度生物传热,对细胞尺度范围内的传热传质问题的研究近年来逐渐成为生物学研究中的一个重心 ,其工程背景可在大量的生物材料保存、 冷冻干燥、 冷冻外科、 高温肿瘤热疗中找到。微尺度传热在一些最先进的生物技术中也得到了应用 ,如利用生物组织中化学反应
14、速率对温度的高度敏感性 ,人们设计了独特的具有高效热控性能的硅微结构 ,这种生化反应器件使得多聚酶链式反应时间缩短了近十分之一。,五、参考文献, 1 过增元. 国际传热研究前沿微细尺度传热 J . 力学进展,2000, 30 (1) 1 - 6. 2 过增元.当前国际传热界的热点微电子器件的冷却.中国科学基金,1988(2):22-25 3 陈玉凤,刘尧,王培吉.微尺度传热学进展 J . 济南大学学报(自然科学版)2008,1(1):1-4 4 周兆英.尤政微型系统和微型制造技术微米纳米科学与技术,1996,2(1):1-11 5 李淑芬等对我国“ 细微尺度传热学” 发展战略的建议中国科学基金
15、, 1996 ; 3 :108-111 6 刘静. 微米/纳米尺度传热学M . 北京:科学出版社, 2001. 7 徐红玉,张元冲,宋亚勤,等. 脉冲激光加热薄膜微尺度热传递研究进展 J . 物理学进展, 2004, 24 (2) : 152 - 161. 8 JOSEPH D D, PREZIOSI L. Heat wave J . Review of Modern Physics, 1989, 61 (1) : 41 - 73. 9 TZOU D Y. Macro - to Micro - scale Heat Transfer - the Lagging BehaviorM . New York: Taylor & Francis: 1997.,谢谢！,
