纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

近年来，随着微电子工业和MEMS技术的快速发展，电子芯片的高集成度所带来的高热流密度使其性能的进一步提高受到了制约，如何实现电子芯片的快速高效散热已成为研究的热点。由于传统的换热工质如水、矿物油和乙二醇等的热导率都较低，无法满足高热流密度电子冷却的需要，因此提高工质热导率成为研究新一代高效冷却技术的关键。1995年美国Argonne国家实验室的Choi等提出纳米流体概念，是将纳米技术应用于热工领域的创新性研究。纳米流体是一种将固体纳米粒子分散到基液中形成的胶状混合物。由于分散的固体粒子的热导率一般比液体高出几个数量级，因此形成的纳米流体有较高的热导率。同时，由于分散的粒子尺度在纳米量级，不会带来像毫微米级粒子那样对器件的磨损问题，这使得纳米流体作为强化换热的新型工质受到了工程技术专家的重视。

目前，对于纳米流体在常规通道及普通毫米级小通道内的对流换热研究已取得了一些进展。李强等对当量直径为1.29ｍｍ的小扁管进行了水铜纳米流体的对流换热实验研究，发现相同Reynolds数下，换热得到强化，阻力并未明显增加。戴闻亭等对当量直径0.68、1.01和1.28ｍｍ的细圆管进行了水基氧化铜纳米流体的对流换热实验研究，发现纳米颗粒的加入可以使流体的换热性能得到显著改善。Lee等对当量直径341μｍ铜基矩形微热沉内A1203纳米流体的换热特性进行了实验研究，发现纳米流体对于单相层流换热有强化效果，但在两相时，由于粒子沉积附着在通道壁，致使换热恶化。迄今，对当量直径小于200μｍ的芯片微通道纳米流体的流动换热特性还很少有研究报道。

鉴于微电子芯片冷却对高效换热介质的需求，本文将开展当量直径小于200μｍ芯片微通道中纳米流体流动换热特性的研究，考察不同Reynolds数、不同Prandt1数和不同体积分数对换热特性的影响，探索纳米流体强化芯片微通道传热规律，以期为高效微电子芯片冷却设计提供指导。

１实验系统及方法

１?１实验装置

实验装置如图１所示，主要由测试流体供给系统、恒温系统、实验测试段、压力传感器（Ｄｒｕｃｋ，精度0.06％）、稳压电源、数据采集系统和称重计量系统组成。储液罐中的工质在高压氮气压送下，依次经过流量调节阀、恒温水浴（精度0.1℃）、过滤器和入口压力传感器，进入水平放置的平行硅片微通道测试段。流经测试段的工质平均质量流量由电子天平计量，天平精度为0.01ｇ，秒表精度为0.01ｓ。加热功率由高精度稳压电源提供，精度为0.1％。

图１实验装置图

测试段（图２）由硅片、热电偶、电绝缘层、加热丝以及保温层等组成，硅片底部沿通道方向均匀布置有５个热电偶测点（直径为0.1ｍｍ，精度为0.1℃），用以测量硅片底面温度。加热薄片布置在硅片底面，并覆盖整个微通道区域。硅片和加热层中间布置有一层高导热性的电绝缘层，以保证热电偶信号不受干扰，如图２（ａ）所示。为减少热损失，硅片四周及金属加热薄膜底部布置有绝热层。实验所用硅片微通道采用ＭＥＭＳ湿法刻蚀工艺加工而成，微通道截面为梯形，如图２（ｂ）所示，通道尺寸见表１。

１?２纳米流体的制备及物性

本实验采用两步法制备纳米流体，所使用的γ?Ａ1203纳米粒子购自美国的纳米相公司，粒形为球状，平均粒径为56ｎｍ，样品的透射电镜照片如图３所示。由于实验中粒子的体积分数很小，又考虑到添加分散剂会对纳米流体物性如黏度、热导率等造成影响，故本实验中没有使用分散剂，而是利用静电稳定机制配制得到稳定的纳米流体。Lee等的研究表明，纳米粒子表面荷电是影响纳米流体性质的重要因素，基液的ｐＨ值直接影响了纳米粒子的表面荷电状况及其在胶体体系中的分布尺寸，通过改变基液ｐＨ值，可使低浓度的纳米流体具备良好的稳定性。本实验中先将去离子水的ｐＨ值调至4.5，使其远离Ａ1203纳米粒子的等电点，之后添加适量纳米粒子经超声振荡（120Ｗ，40ｋＨｚ）配制而成，经试验，最佳超声时间约为90ｍｉｎ。配制的纳米流体在使用前和使用后状况如图４所示，使用过程中未见任何沉淀，说明本实验所使用的纳米流体具有良好的分散性。

图２测试段简图

表１微通道尺寸

本文中纳米流体的物性采用式（１）～式（５）计算：

密度

动力黏度

运动黏度

热导率

比热容

图３Ａｌ２Ｏ３纳米流体电镜照片

图４配制的Ａｌ２Ｏ３纳米流体

１?３数据处理与误差分析

工质的所有物性参数均以（犜ｉ＋犜ｏ）／２为定性温度进行计算。根据实验仪器精度及误差传递原理，可得到各测量值的最大相对误差，见表２。

表２测量误差

２实验结果与分析

本实验控制参数主要有：工质流量、工质入口温度和加热功率。流量调节阀可改变流量，同时实现Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数的改变。通过恒温槽调节工质入口温度则可以控制换热的平均Ｐｒａｎｄｔｌ数。

２?１流动特性

纳米流体的流动阻力特性是影响其工程应用的重要因素。流动阻力特性实验在流体温度恒定２４℃时进行，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数范围为１９１～１０２０，属层流范围。图５给出了相同体积流量下纳米流体与去离子水进出口压差的比较。由图可见相同体积流量下，纳米流体进出口压差比去离子水略有增加，但增加并不明显，对0.26％纳米流体，进出口压差平均增幅3.5％，最大不超过５％，说明低浓度的纳米流体不会比水耗用过多的泵功；体积分数对纳米流体进出压差影响不明显，0.15％纳米流体和0.26％纳米流体进出口压差相差小于１％。为比较纳米流体与水的流动阻力特性，绘制了图６所示的量纲１流动摩擦因数与Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数关系图。从图中可以看出，纳米流体摩擦因数与犚犲的变化关系与去离子水相似；相同犚犲下，纳米流体摩擦因数较去离子水略有增加，但并不明显，平均增幅4.4％，最大不超过5.6％；体积分数对纳米流体摩擦因数影响较小。

图５纳米流体和去离子水在相同体积流量下压降的比较

图６纳米流体和去离子水流动阻力特性比较

２?２换热特性

２．１体积分数的影响图７显示不同浓度纳米流体和去离子水在平均Ｐｒａｎｄｔｌ数为５．８时的换热特性。由图可以看出芯片微通道内纳米流体和水存在相似的对流换热特性，即犖狌都随犚犲的增大而增大；使用纳米流体以后，换热得到明显强化，且体积分数越大，纳米流体强化换热效果越明显。在实验范围内，体积分数０．１５％的纳米流体换热犖狌比去离子水增强４．２％～５．７％，平均增强５％；而０．２６％的纳米流体则增强１０．１％～１５．７％，平均增强１３％。其原因为：由于纳米流体的热导率比水高，且体积分数越大，热导率也越大；添加纳米粒子以后，由于粒子的微运动使得通道截面的温度分布更趋均匀；纳米粒子与微通道壁的相互作用使得换热边界层受到扰动，从而起到强化换热效果。

图７浓度对流动换热特性的影响

流体换热性能的提高通常伴随耗用泵功的增加，为进一步评价纳米流体的强化换热效果，对相同泵功下纳米流体和去离子水的换热热阻进行了分析。图８表明在相同泵功下，纳米流体的换热热阻与去离子水相比有明显下降，且纳米流体的体积分数对热阻影响明显，浓度升高热阻下降。体积分数为０．１５％和０．２６％的纳米流体的热阻比去离子水平均分别下降了４．８％和１１．５％，显示了纳米流体作为强化换热工质的优势所在。从图中还可以看出，无论是去离子水还是纳米流体，其换热热阻均随泵功增加而减小，在低流量时，热阻随泵功增加下降较快，高流量时则趋于平缓，这一现象与文献［１５］的数值模拟结果相似。

２．２Ｐｒａｎｄｔｌ数的影响图９通过改变入口温度和流量调节，分别得出体积分数为0.15％的纳米流体和去离子水在不同犘狉和犚犲下的换热特性。由图可见：纳米流体犖狌随犘狉降低而降低，但比同等条件下去离子水有明显增加。计算表明，体积分数为0.15％的纳米流体在犘狉＝4.6时换热平均增强6.2％，在犘狉＝5.8时换热平均增强5.0％。

图８浓度对热阻的影响

图９Ｐｒａｎｄｔｌ数对流动换热的影响

这是由于在较低犘狉时，流体平均换热温度较高，所对应的纳米流体热导率也较高，同时在较高温度时，纳米粒子的热运动更加剧烈，纳米粒子与微通道壁的作用也更加频繁，从而加快了热量的传递。图９还显示，犘狉对纳米流体和去离子水换热犖狌的影响随犚犲的增加而更为明显。

图１０为体积分数0.15％的γ?Ａ1203纳米流体与去离子水在相同泵功下的换热热阻比较。图１０表明使用纳米流体后，热阻下降较为明显。对于同一种工质，犘狉越小，换热热阻也越小，但是与纳米流体的体积分数对热阻的影响（图８）相比，犘狉对换热热阻的影响相对较小。

２．３实验关联式根据实验数据拟合得到梯形硅微通道内低浓度纳米流体层流对流换热准则关联式如下

图10 Ｐｒａｎｄｔｌ数对换热热阻的影响

拟合值与实验值的比较如图１１所示，平均绝对偏差为2.4％，最大正偏差为6.7％，最大负偏差为－4.8％，拟合相关系数0.94，说明上式能较好地预测实验结果。式（１６）适用于本实验段尺寸、低浓度（0.26％）下γ?Ａ1203纳米流体在梯形硅微通道中的层流对流换热犖狌的预测，其中犚犲范围200～1300，犘狉范围4.6～5.8，对于其他范围的适用性有待验证。

图11 Ｎｕｓｓｅｌｔ数预测值与实验值的比较

微通道内纳米流体的对流换热还处于初步研究阶段，由于微尺度效应，硅微通道内纳米流体的换热机理与常规通道有所不同。在微通道内，纳米粒子本身的微运动以及其与微通道壁面的相互作用对流动换热的影响比常规通道显著，深入的理论解释有待进一步研究。

３结论

对去离子水、体积分数分别为0.15％和0.26％的水基γ?Ａ1203纳米流体在当量直径为194.5μｍ的梯形硅基微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究，得到以下结论。

使用低浓度（0.26％）的纳米流体，微通道进出口压降与去离子水相比基本相同，流动阻力特性与去离子水相似。

无论是去离子水还是纳米流体，硅微通道内Nusselt数都随着Reynolds数和Prandt1数的增加而增大，纳米流体体积分数是影响换热的重要因素，浓度越大，换热越强；纳米流体的强化换热效果在较低Prandt1数时，即流体平均温度较高时有所增强。

热阻随流量增加而减小，且在低流量时减小得较快，高流量时则趋于平缓；相同泵功条件下，纳米流体换热热阻比去离子水有明显下降；纳米流体在硅微通道中的流动换热总体性能优于水。

基于实验数据，拟合了梯形硅微通道中低浓度纳米流体层流对流换热Nusselt数的实验关联式。

文献来源化工学报文章编号：0438-1157（2008）09-2181-07作者：吴信宇，吴慧英，屈健，郑平（转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）