微納衛(wèi)星的微尺度傳熱問題及其解決方法_圖文

1、第 39卷 第 9期2007年 9月哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 報JOURNAL OF HARB I N I N STI T UTE OF TECHNOLOGYVol 139No 19Sep. 2007微納衛(wèi)星的微尺度傳熱問題及其解決方法邵寶東1, 2, 孫兆偉 1, 王麗鳳2(1. 哈爾濱工業(yè)大學 衛(wèi)星技術(shù)研究所 , 哈爾濱 150080, E 2mail:shbd -1221163. com;2. 昆明理工大學 工程力學系 , 昆明 650093摘 要 :介紹了可以解 決微尺度傳熱問題的幾種微器件及其工作原理 , . 關(guān)鍵詞 :微納衛(wèi)星 ; 微尺度傳熱 ; 微槽道 ; 相變傳熱 中圖分

2、類號 :TK16; TH20文獻標識碼 :A:(2007 09-1361-05problem s and solv i n g m ethodsi n the m i cro /nano2s a telliteSHAO Bao 2dong 1, 2, S UN Zhao 2wei 1, WANG L i 2feng2(1. Research I nstitute of Satellite Technol ogy, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150080, China, E 2mail:shbd -1221163. com; 2. Dep

3、t . of Engineering Mechanics, Kun m ing University of Science and Technol ogy, Kun m ing 650093, China Abstract:A su mmary analysis of the m icr oscale heat transfer p r oble m s in m icr o /nano2satellite and p resent re 2search state of m icr oscale heat transfer was p resented . Several m icr o 2

4、apparatus and their working p rinci p les were intr oduced . Novel materials and cooling methods used in ther mal contr ol design of m icr o /nano 2satellite were p resented .Key words:m icr o /nano 2satellite; m icr oscale heat transfer; m icr ochannel; phase change heat transfer收稿日期 :2005-07-01.基金

5、項目 :國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃資助項目 (5131201 . 作者簡介 :邵寶東 (1971 , 男 , 博士 , 講師 ;孫兆偉 (1965 , 男 , 教授 , 博士生導師 . 微納衛(wèi)星以其成本低 、 重量輕 、 研制周期短 、功能密度高和發(fā)射靈活等特點 , 作為一種新的飛 行器種類從空間技術(shù)領域脫穎而出 . 隨著衛(wèi)星的 尺寸 、 體積 、 質(zhì)量的不斷減小 , 同時不改變其功能 甚至功能更強 , 導致在微小空間內(nèi) , 單位時間傳輸 大量的熱量 . 此時的傳熱過程 、 傳熱機理與宏觀情 況時不同 , 需要用微尺度傳熱理論來進行研究 . 隨 著器件尺寸的不斷減小 , 其中的傳熱和流體行為 將

6、出現(xiàn)強烈的尺寸效應 , 而那些廣泛應用于連續(xù) 介質(zhì)體系中的物理量 , 如“ 溫度 ” , “ 壓強 ” , “ 內(nèi) 能 ” , “ 熵 ” , “ 焓 ” 及熱物性如熱導率 、 比熱容 、 黏度 等 , 在微尺度水平上均需要重新認識和解釋 .本文介紹了目前微尺度傳熱領域的一些新進 展 , 提出了解決微納衛(wèi)星中存在的微尺度傳熱問題的一些可能的實施方法 .1 微納衛(wèi)星的微尺度傳熱問題目前微納衛(wèi)星及微電子機械系統(tǒng) (ME MS 中 的器件尺寸已經(jīng)從微米量級進入了亞微米量級 . 由于器件的表面積與器件特征尺度的平方成反 比 , 使得微系統(tǒng)內(nèi)的熱流密度非常大 , 據(jù)報道最高 可達 107W /m2量級

7、, 遠遠高于航天器回歸地球時 與大氣摩擦產(chǎn)生的高熱流密度1. 這樣高的熱流密度如果不能在短時間內(nèi)排散掉 , 就可能造成某 些元器件熱量集中 , 溫度過高 . 而微電子器件的可 靠性對溫度十分敏感 , 器件溫度在 7080 水平 上每增加 1 , 可靠性就會下降 5%, 所以微電子 器件的冷卻問題早在 80年代中期已成為國際微 電子界和國際傳熱界的熱點 2. 隨著微納衛(wèi)星及 微電子機械系統(tǒng) (ME MS 中的器件尺寸不斷縮 小 , 而單位時間內(nèi)需要傳輸?shù)臒崃坎粩嘣龃?, 使得 在空間微尺度和時間微尺度條件下的流動和傳熱問題的研究變得十分重要 .2 微尺度傳熱問題的研究進展 進入 90年代以來 ,

8、 微 /納米技術(shù)發(fā)展很快 , 隨 著器件的構(gòu)件尺寸進一步減小 , 以及微 /納米激光 加工特征時間的縮短 (10-1210-15s , 都進一步 對傳統(tǒng)流體力學和傳熱學提出了挑戰(zhàn) , 迫切要求 弄清空間和時間微細尺度條件下流動和傳熱的特 點和規(guī)律 , 因此國際上正在逐步形成一個微細尺 度傳熱的新的分支學科 1. 1993年 7月在日本召 開的 “ 分子與微尺度傳輸現(xiàn)象 ” 日美聯(lián)合研討會 上 , 眾多學者都認為 , 20世紀最后十年可能會是關(guān)鍵時刻 3. 1997年 , 1刊 物 (M icr oscale Ther mophysical Engineering , 1998年 7月歐洲在法國

9、召開了微尺度傳熱的學 術(shù)討論會 .目前 , 國內(nèi)外學者主要在微槽道流動和傳熱 、 多孔介質(zhì)流動傳熱 、 微型熱管 、 微型毛細泵環(huán) 、 微 重力下的流動傳熱 、 高集成度電子設備高熱流強 度散熱技術(shù) 、 微電子機械系統(tǒng) (ME MS 內(nèi)部的流 動和傳熱及相變傳熱等方面做了多項研究 .目前在微尺度領域里一種廣泛得到研究的冷 卻措施是硅基微槽熱沉 . 非圓槽道硅基微槽熱沉 通過高度復雜和經(jīng)濟的加工過程 , 綜合了材料兼 容性 、 高面積體積比和高傳熱潛能的貢獻 . 設計合 理的微槽熱沉可傳輸密度為 113×107W /m2的熱 流而使溫度維持在 130 以內(nèi) 4. J. L i 等 5采

10、用 簡單三維耦合傳熱模型 (二維流體流動和三維傳 熱 數(shù)值模擬了硅基微槽熱沉中的強化對流傳 熱 . 矩形微槽寬 57m , 深 180m , 長 10mm. 采 用 T DMA 法求解控制方程 , 分析了微槽幾何參數(shù) 和流體的熱物性對流動和傳熱的影響 . 其研究結(jié) 果表明 , 流體的熱物性對微槽熱沉中的流動和傳 熱影響很大 ; 對于流體高流率情況 , 沿著流動方 向 , 流體溫度呈近線性變化 , 而對于低流率情況則 不然 . Poh 2Seng Lee 等 6實驗研究了矩形微槽單 相流預測熱行為對基于傳統(tǒng)槽道的經(jīng)典相關(guān)的有 效性 . 微槽寬度范圍為 194534m , 深度為寬度 的五倍 ,

11、流體介質(zhì)為去離子水 , R e 數(shù)為 300 3500. 基于經(jīng)典連續(xù)方法的數(shù)值預測結(jié)果與實驗 數(shù)據(jù)符合較好 , 表明傳統(tǒng)分析方法能夠用來預測 微槽的傳熱行為 . G . Mohiuddin Mala 等 7研究了 常溫下兩平行板間微槽的流體流動和傳熱在固液 界面處的電雙層效應 . 采用 Poiss on -Boltz mann 方 程的線性近似解來描述在固液界面處的電雙層 區(qū) . 分析了電雙層效應和槽道尺寸對速度分布 、 流 勢 、 表面粘性 、 溫度分布和傳熱系數(shù)的影響 . T odd M. Har m s 等 8研究了矩形深微槽單相強迫對流 傳熱 , 實驗分別對單槽系統(tǒng)和多槽系統(tǒng)進行了測

12、 試 . 微槽的深度約為 1000m , 工作流體為去離 子水 , R e 數(shù)為 17312900. 實驗獲得的局域 Nu 數(shù) 與 經(jīng) 典 槽 道 發(fā) 展 流 理 論 吻 合 較 好 . W ahib Owhaib 等 9實驗研究了 流過內(nèi)徑分別為 117, 112, 0mm, . Peng 和 Peter 2 對流傳熱 , 發(fā)現(xiàn)橫截面比率對層流和湍流下流動 摩擦和對流換熱具有顯著影響 . Gian Luca Mori 2 ni 10對微槽單相對流換熱研究進行了綜述 , 比較 不同學者實驗結(jié)果的差異 , 分析了導致微槽中傳 熱機理異常行為的原因 , 包括稀薄效應 、 可壓縮效 應 、 粘性消散

13、效應 、 電雙層效應 、 材料性質(zhì)變化效 應 、 槽道表面條件 (相對粗糙度 和實驗不確定性 等 . Matteo Pasquali 等 11提出一種新方法 , 通過 引入微結(jié)構(gòu)變量 微觀特征量的局域期望值來 說明聚合流體的微觀結(jié)構(gòu)的演化 ; 擴展了基于局 域平衡假設的不可逆熱動力學 , 以使微結(jié)構(gòu)模型 的方程與熱動力學第一 、 第二定律相吻合 . M. K . A lka m 等 12用數(shù)值方法研究了平板槽道中瞬態(tài) 強迫對流 . 為增強流體的傳熱特性 , 在板內(nèi)壁中粘 上高導熱率的多孔介質(zhì)襯底 . 研究結(jié)果表明 , 可以 通過采用高導熱率填充物 、 降低 Darcy 數(shù)和提高 微觀惰性系數(shù)來

14、強化傳熱 . L in L i w ei 13討論了目 前和未來 ME MS 應用中關(guān)于熱問題的兩個挑戰(zhàn) , 微尺度相變傳熱和熱焊接處理 . 微阻加熱器能產(chǎn) 生單個球形可控直徑在 2500m 的熱氣泡 . 在 微尺度范圍內(nèi)對氣泡成核過程進行了簡單的穩(wěn)態(tài) 和瞬態(tài)分析 , 列舉了微氣泡驅(qū)動激發(fā)器 , 微氣泡驅(qū) 動噴嘴擴散泵 , 微氣泡驅(qū)動攪拌器在微流體系統(tǒng) 中的應用 , 介紹了在 ME MS 加工和封裝中應用的 熱焊接處理中 , 幾種新型熱焊接處理方法包括局 域共 晶 焊 接 , 局 域 熔 焊 , 局 域 化 學 蒸 發(fā) 沉 積 (che m ical vapor depositi on 焊接

15、, 局域焊料焊接和 納秒激光焊接等 . John R. Thome 14回顧了微槽 道沸騰換熱的實驗和理論研究結(jié)果 , 分析了宏觀 和微觀傳熱的對比 , 兩相流區(qū)域 , 微槽道流體沸騰 換熱 , 換熱機理和流體沸騰模型 . 姜培學等 15對 微尺度換熱產(chǎn)生的背景 、 研究現(xiàn)狀及存在的問題2631 哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學 學 報 第 39卷 進行了綜述 , 對在微小槽道內(nèi)流體的流動和傳熱 與常規(guī)尺度下差異的原因和機理進行了分析 , 發(fā) 現(xiàn)有些用氣體做的實驗研究 , 很有可能是處于有 速度滑移和溫度跳躍的滑流區(qū) , 速度滑移和溫度 跳躍致使阻力系數(shù)減小 , 傳熱減弱 . 余雋等 16從 理論建

16、模 、 實驗測試和計算機模擬 3個方面總結(jié) 了近年來微尺度薄膜熱物性的研究進展 . 何天虎 等 17為解決微尺度下金屬薄膜中的熱傳導問題 , 利用電子 -聲子相互作用的拋物型兩步熱傳導模 型 , 考慮金屬晶格對熱傳導的效應 , 研究了一半無 限大金屬薄膜在邊界上受簡諧溫度作用的一維熱 傳導問題 , 應用拉普拉斯變換及數(shù)值反變換技術(shù) , 得到了溫度的分布 ,散率 F l 、 電子相對熱擴散率 F e分布的影響 . 表面的平板流動沸騰特性進行了實驗研究 , 獲得 了單相對流直到沸騰的 q n -T 特性曲線 , 分析了 流速 、 過冷度和微槽結(jié)構(gòu)對傳熱特性 、 沸騰狀態(tài) 以及臨界熱負荷的影響 .

17、李世崗等 19研究了不同 間隙尺寸下浸沒深度對弦月形狹縫微膜蒸發(fā)通道 內(nèi)液氮的熱虹吸沸騰換熱特性的影響 , 結(jié)果表明 通道內(nèi)流體流量隨浸沒度的變化而變化 , 并影響 其換熱性能 . 通道內(nèi)的傳熱和流動過程是耦合的 , 傳熱因素如熱流密度 、 氣泡生成頻率及脫離直徑 等均會影響兩相流流體進口流量 、 空隙率及流型 . 在相變傳熱方面 , 甘云華等 20對微尺度相變傳熱 作了較為系統(tǒng)的綜述 , 論述了控制微尺度相變傳 熱的準則數(shù) , 分析了沸騰起始點 、 流型 、 壓降 、 傳熱 系數(shù) 、 不穩(wěn)定性 、 臨界熱流密度 6大關(guān)鍵問題 , 建 議從實驗和理論兩個方面對微尺度相變傳熱進行 深入研究 ,

18、以進一步理解其機理 , 為微換熱器的設 計 、 制造及運行提供科學依據(jù)和指導 .3 微 納 衛(wèi) 星微 尺 度 傳熱 問 題 的 解決 辦 法 微納衛(wèi)星及微電子機械系統(tǒng) (ME MS 因其體 積及質(zhì)量小而功能與普通衛(wèi)星或機械系統(tǒng)一樣或 更強 , 所以其單位體積下的功耗較大 , 單位時間內(nèi) 會產(chǎn)生大量的熱量 . 這些熱量如果不能在有限時 間內(nèi)有效地排散掉 , 就有可能造成某一部件熱量 集中 , 溫度過高 . 若長時間不能有效解決 , 則會造 成部件快速損耗 , 性能降低 , 喪失工作能力 , 所以 , 對于微小器件來說 , 快速有效傳輸熱量 , 保持一定 的溫度范圍 , 是其能否正常工作的前提 .

19、 航天器的 熱設計通常 決 定 于 某 些 變 量 , 如 地 影 時 間 、 船 (星 載設備的溫度要求 、 電子器件耗散功率以及 航天器與太陽之間的距離等 21. 而在微納衛(wèi)星的 設計中 , 由于質(zhì)量和功率的限制 , 限定了負載和星 物管理系統(tǒng)的體積 , 對衛(wèi)星的每個系統(tǒng)及熱控系 統(tǒng)都提出了要求 . 所以在給定功率限制條件下 , 開 發(fā)一種采用被動或者驅(qū)動功率非常小的主動熱控 系統(tǒng)是很重要的 . 熱控系統(tǒng)的主要任務是將工作 元件產(chǎn)生的熱量在較短時間內(nèi)傳輸?shù)綗岢?. 根據(jù) 衛(wèi)星內(nèi)部各元器件之間的熱關(guān)系 , 主要有 3種熱 控方案 :自主熱控 , 集中熱控和聯(lián)合熱控 22. 自主 , 彼, 其

20、中一些 ( 有一個總熱控 , 另外一些器件 (如某些負載 與衛(wèi)星總線絕熱 , 采取自主熱控 措施 .對于集中熱控和聯(lián)合熱控中的總熱控 , 目前 主要的被動熱控措施是采用各種不同發(fā)射率的表 面涂層作散熱器 . 衛(wèi)星內(nèi)部每個器件通過開關(guān)連 接到散射器上 , 在地影周期內(nèi)關(guān)掉與散熱器的連 接 , 在日照周期內(nèi)則打開與散熱器的連接 , 使得每 個器件的熱量通過集中傳輸?shù)缴崞鞫⑸涞叫?外 , 從而保證每個器件保持在適宜的溫度范圍內(nèi) . 而對于自主熱控 , 特別是現(xiàn)代微納衛(wèi)星中的微型 元器件 , 則采用微尺度換熱器 , 液滴冷卻 , 微型熱 管 , 硅基微槽熱沉等技術(shù)及新材料的使用 .新材料主要包括高

21、導熱率 、 低密度 、 低熱膨脹 率 、 高性價比的固體導熱材料 , 包括金屬材料鋁 、 銅 、 銀及相應的金屬合金以及碳系材料如石墨 、 金 剛石 、 碳納米管等 ; 在熱沉中得到應用的還有一類 多孔或泡沫材料 , 如多孔硅 、 多孔石墨 、 多孔金屬 泡沫等 , 由于材料本身導熱性能好 , 而擴大化的表 面則有利于應用在對流冷卻 、 微型熱管上達到強 化散熱的效果 23-24; 另外一種導熱材料 界面 接觸材料 (TI M 通過減少接觸熱阻 , 增強接觸界 面的傳熱直接改善器件本身的性能和可靠性 25. 好的 TI M 有導熱脂 、 金屬箔 、 界面相變材料 、 凝 膠 、 鍍層 、 膠

22、、 焊料等 ; 此外新型的冷卻劑如摻雜高 導熱率納米顆?；蛭⒛?、 冰水的兩相流體等潛熱 新功能流體都有望在冷卻技術(shù)中得到應用 . 相變型微熱管 26主要是利用相變潛熱大的 特點來強化換熱 , 已經(jīng)成功應用于航空航天及核 工業(yè)中的重要場合 , 由于其換熱功率非常高 , 在微 尺度下的強化換熱中也很有前景 . 液滴冷卻使用液滴沖擊冷卻熱芯片 , 也是一 種利用相變過程來強化換熱的技術(shù) . 其原理是液 3 6 31第 9期 邵寶東 , 等 :微納衛(wèi)星的微尺度傳熱問題及其解決方法滴在熱芯片上受熱蒸發(fā) , 遇到冷壁后冷凝成液體 ,再通過某種方式 (自然滴落或振動誘導霧化 返 回到熱芯片表面 , 構(gòu)成閉

23、式循環(huán) . 液滴冷卻系統(tǒng)的 特點是 :使用電介質(zhì)冷卻液作為工作介質(zhì) ; 通過控 制液滴直徑和頻率來控制冷卻功率 ; 內(nèi)部可以集 成控制冷卻的軟件 . 圖 1為振動誘導霧化冷卻系 統(tǒng) 27, 其結(jié)構(gòu)特點主要是在腔體底部有一個振動 誘導霧化器 , 用來使回流的液體霧化成小液滴返 回到芯片表面 . 這種冷卻系統(tǒng)的特點是可控性和 獨立性強 .圖 1 振動誘導霧化冷卻系統(tǒng) 微尺度換熱器或微型槽道散熱器的流動槽道一般是在很薄的硅片 、 金屬或其他合適的材料薄 片上加工而成的 . 這些薄片可以單獨使用 , 形成平 板式換熱器 28-29; 或者焊在一起 , 形成順流 、 逆流或交叉流換熱器 30-31. 圖

24、 2為微尺度換熱器結(jié)構(gòu) 圖 . 微尺度換熱器的特點在于單位體積內(nèi)的傳熱 表面積很大 , 表現(xiàn)出熱阻低 、 質(zhì)量輕 、 體積小和工 作流體的流量小等等 . 微尺度換熱器具有很廣泛 的應用潛力 , 例如電子芯片的冷卻 、 飛機和空間飛 行器的冷卻 、 低溫冷卻器 (超流體氦 、 液體氮 、 高 溫超導體的冷卻 、 強激光鏡的冷卻和 Stirling 發(fā)動 機的冷卻等 . 此外 , 還有合成噴氣體冷卻 , 熱電冷 卻技術(shù) , 熱電離子冷卻 , 熱聲冷卻等方法 .圖 2 微尺度換熱器的結(jié)構(gòu)圖 綜上所述 , 考慮微納衛(wèi)星在軌飛行時熱控系統(tǒng)的任務 , 可以用來進行熱控制的一種可行的措 施是在星上產(chǎn)熱器件的

25、基底上刻蝕深微槽 , 然后在微槽中充入部分冷卻液 , 通過微電滲泵驅(qū)動冷 卻液在微槽中流動 . 一方面 , 冷卻液在微槽中的流 動可以帶走部分熱量 , 另一方面 , 當冷卻液受熱后 會蒸發(fā)汽化 , 產(chǎn)生大量潛熱 , 從而達到相變熱管的 效果 , 此時微槽中為汽液兩相流 . 其結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 3所示 . 其實驗分析及實用性有待于進一步 研究 .圖 3 微槽熱沉結(jié)構(gòu)示意圖5 結(jié) 論為解決微納衛(wèi)星中的散熱問題 , 目前在微尺度傳熱領域里的很多方法可以借鑒 . 各種新型導 熱材料 , 相變型微熱管 , 液滴冷卻裝置 , 合成噴氣 體冷卻 , 熱電冷卻技術(shù) , 熱電離子冷卻 , 熱聲冷卻 等方法以及微

26、尺度換熱器或微型槽道散熱器的設 計研究和制造 , 都將為微納衛(wèi)星的熱控系統(tǒng)的設 計提供多種多樣的選擇辦法和方案 . 但是 , 有些方 法如熱電冷卻方法 , 雖然其結(jié)構(gòu)緊湊 、 無運動部 件 , 但是其功率消耗極大 , 不適于星上功率消耗小 的要求 . 所以 , 對于微納衛(wèi)星 , 限于自身重量和功 率 , 主要采用被動熱控方案 , 相變型微熱管 、 TI M 、 各種不同發(fā)射率的熱控涂層都可用于微納衛(wèi)星的 熱控設計之中 ; 若采用主動熱控 , 則可以采用微電 滲泵或由微氣泡提供動力的各種無源微驅(qū)動裝 置 . 隨著微尺度傳熱理論的研究和新技術(shù)的發(fā)展 , 人們將會發(fā)現(xiàn)和制造重量更輕 , 傳熱性能更好

27、的 用于微納衛(wèi)星熱控設計的材料和結(jié)構(gòu) .參考文獻 :1過增元 . 國際傳熱研究前沿 微細尺度傳熱 J .力學進展 , 2000, 30(1 :1-6.2過增元 . 當前國際傳熱界的熱點 微電子器件的冷卻 J .中國科學基金 , 1988(2 :20-25.3馬哲樹 , 姚壽廣 , 明曉 . 微細尺度傳熱學及其研究進展 J .自然雜志 , 2002, 25(2 :76-79.4PE NG X F, PETERS ON G P . Convective heat transferand fl ow fricti on f or water fl ow in m icr ochannel struc

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