微通道换热器的优化

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电子产品中的功率密度持续上升，这已经不是什么秘密了，研究人员被迫探索新的热管理技术来防止这些电子产品过热。

随着小型化的趋势和移动电子产品的流行，热管理的挑战变得更加复杂。

微通道热交换器作为解决这些问题的方法有很大的前景，而且它们继续是许多研究的主题，包括优化它们的方法。

对于微通道热交换器的组成没有严格的定义，但普遍认为小于1 mm的通道液压尺寸称为微型或微通道。

通常，鳍片的厚度和通道的宽度都在几百微米左右。与传统的风冷散热器一样，微通道热交换器必须根据其翅片的几何形状进行优化，这通常成为热阻和压降之间的平衡。

一方面，由于微通道热交换器具有如此小的特性，它们可以将大量的表面积打包成一个很小的体积。这通常意味着传热能力的提高；但是传统的热交换器也可以被更小更轻的微通道热交换器所取代。

在一个例子中，霍金斯-雷诺兹等人的能够保持性能，同时减少了25%的质量和60%的核心体积。从图1中可以看出，其中较大的换热器的长度约为300mm。

图1.传统和微通道换热器

另一方面，特性越小，它们之间的压降就越大，这对冷却流体需要更大的泵送动力。例如，图1中所示的微通道热交换器的冷侧压降比以前的设计高出75%。

为了优化可用于高功率密度的移动应用的微通道热交换器，定义该类型应用中预期的泵特性。测试了三个紧凑型泵，选择泵B的尺寸和性能紧凑。泵的参数如下表1和表2所示。

图2.泵的特性比较

表1.微通道换热器的泵的比较

利用泵2的参数进行了分析，从而确定了最佳的微通道翅片几何形状，然后通过实验测试验证了该分析。

研究人员选择了一种两步进行的方法来进行分析。首先，他们保持所有的几何形状固定，只改变通道宽度。当计算出理想的通道宽度时，则在翅片厚度优化时保持不变。

微通道热交换器的几何形状如图3所示，基于对移动设备的适用性，外部尺寸固定在L x W = 10 x 10 mm，通道深度Dd = 300µm，底板厚度t = 200µm。热交换器的总热阻定义为(q)中的热流除以底板（Th）和入口流体温度（Ti）之间的温差。

图3.微通道换热器的几何形状

在分析上，这种整体阻力可以分为三个部分：热交换器中的扩散阻力，从热交换器到冷却剂的对流阻力，以及冷却剂流动的电容性电阻。下面的公式1-4总结如下，

t=基底厚度(m)

L =长度(m) 

W =宽度(m) 

Ks =导热系数(W/m*K) 

n =翅片数

h=传热系数（W/m2*K）

Q =流量（m3/s）

ρf =密度（Kg/m3）

Cpf =比热（J/Kg*K）

Dw =翅片厚度(m) 

Dc =通道宽度(m) 

Dd =通道高度(m) 

β =翅片效率

所使用的冷却剂是去离子水。

利用泵流参数和泵流参数进行求解，并与实验结果进行对比。在实验测试中，通过在500µm厚的硅晶片上采用蚀刻工艺制备了微通道热交换器。

在第一步测试中，通道宽度从65µm变化到315µm，发现通道宽度约为100µm的通道性能最好。

然后，将通道宽度固定在100µm，鳍片厚度在8µm到41µm之间变化。翅片厚度在20µm左右，性能最佳。

图4.微通道换热器的性能与通道宽度

图5.微通道换热器的性能与翅片厚度

分析结果和实验结果的对比图如下图4和图5所示。可以看出，实验结果与分析模型非常吻合。

总的来说，理论结果略好于实验结果，这被认为是由于实验用热交换器的流量分布不太理想所致。

假设移动设备的操作参数简化了这种分析，因此研究人员能够限制变量的数量。

采用一种不同的方法，其目标是通过最小化熵的产生来优化微通道热交换器。开发一套方程，描述根据不同热交换器几何和流动性质的熵产生。

其中热交换器的一侧被加热，并用水作为冷却流体。用数值方法求解了这些方程式，并得到了几个有趣的结果。

在下面的图6中，熵的生成是作为具有三个不同克努森数的微通道热交换器的通道长宽比的函数。

图6.熵的生成作为通道长宽比的函数

一般来说，较大的克努森数代表了具有较大特征的热交换器几何形状，尽管所有参数仍然在微通道的领域。

在这里可以看到，对于较大的克努森数，熵的产生较小，因为冷却剂的水力阻力较小。提供最佳整体效率的长宽比似乎在0.16左右。

需要注意的是，这并不表示最大的绝对性能，但熵的最小化应该能很好地了解在泵送效率和热阻组合方面最有效的系统。

利用熵产生分析，能证明换热器材料对熵产生的影响。

许多微通道的制造技术都涉及到硅蚀刻，与传统的热交换器材料，如铝或铜相反。

图7显示，换热器材料的导热系数不是那么高，其导热系数不是很高。硅的导热系数恰好在150 W/m*K左右。

图7.热交换器材料的熵生成

这两个图只是使用熵最小化方法分析的参数的一个例子。但是微通道热交换器也受到其他一些作者都没有提到的因素的影响，比如堵塞。

由于微通道的小尺寸，它们容易受到小颗粒的污染，这可能对其他热交换器没有那么大的影响。

如果不小心确保冷却液的清洁回路，热性能可能会受到影响。

在某种程度上，污垢是所有热交换器都关心的问题，所以在评估微通道时需要考虑到它。

此外，这两种截然不同的优化方法还有许多其他技术。与任何问题一样，所选择的找到答案的方法取决于最关键的因素，无论是价格、规模、效率、性能，还是其他任何因素。