含相變微膠囊的低熔點(diǎn)液態(tài)金屬懸浮液流動(dòng)及傳熱特性研究.pdf

1、近年來，隨著電子芯片的高頻、高速以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，電子芯片的總功率密度大幅度增長而物理尺寸卻越來越小，其熱流密度也急劇增加，“熱障”問題日益嚴(yán)峻。如何將極高的產(chǎn)熱量有效的排散掉，并將芯片溫度保持在較低水平已成為一個(gè)亟待解決的問題，研究和開發(fā)新的散熱手段以適應(yīng)高熱流密度芯片、微系統(tǒng)的散熱冷卻一直是國際上非常重要而又活躍的研究課題。
　　低熔點(diǎn)液態(tài)金屬導(dǎo)熱系數(shù)高，潛熱型功能熱流體表觀比熱大的優(yōu)點(diǎn)已被

2、證明具有良好的傳熱能力，但低熔點(diǎn)液態(tài)金屬比熱小，以水為載流體的傳統(tǒng)潛熱型功能熱流體導(dǎo)熱系數(shù)低，分別作為散熱工質(zhì)時(shí)限制了芯片冷卻效果的提高。為進(jìn)一步提高散熱工質(zhì)的傳熱能力，結(jié)合低熔點(diǎn)液態(tài)金屬和潛熱型功能熱流體二者的優(yōu)點(diǎn)，形成一種以低熔點(diǎn)液態(tài)金屬作為載流體的潛熱型功能熱流體，可望獲得同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)和大表觀比熱的相變微膠囊（MEPCM）-低熔點(diǎn)液態(tài)金屬（LM）懸浮液，從而大大提高流體的傳熱能力。
　　本文在以正二十烷為相變芯材合成相

3、變微膠囊的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行表面改性，再摻混入低熔點(diǎn)液態(tài)鎵中制備了MEPCM-LM懸浮液；理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試了MEPCM-LM懸浮液的各種熱物性參數(shù)；實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了MEPCM-LM懸浮液在等熱流密度條件下光管內(nèi)的層流摩擦阻力及傳熱特性，對(duì)影響對(duì)流換熱強(qiáng)化的各主要因素進(jìn)行分析，并與以水為載流體的MEPCM懸浮液（MEPCM-W懸浮液）的對(duì)流換熱特性進(jìn)行了比較；為進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱，還通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究了管內(nèi)插入扭帶分別對(duì)MEPCM-LM懸浮液

4、和MEPCM-W懸浮液層流換熱的強(qiáng)化特性。
　　本文研究工作得到的主要結(jié)論如下：
　　（1）采用原位聚合法合成的正二十烷微膠囊粒徑均勻、表面光滑、成型較好；經(jīng)化學(xué)鍍銅進(jìn)行表面改性后，MEPCM表面銅鍍覆均勻，銅在鍍層中晶形良好，無Cu2O的存在；鍍銅MEPCM摻混入低熔點(diǎn)液態(tài)鎵中經(jīng)機(jī)械攪拌和超聲振動(dòng)制備出均勻分散的不同濃度MEPCM-LM懸浮液，并獲得了MEPCM-LM懸浮液的制備工藝。所制備的MEPCM-LM懸浮液潛熱實(shí)驗(yàn)

5、值最高可達(dá)7.817 J/g，且體積濃度小于20％的MEPCM-LM懸浮液仍可被近似看作是均勻的牛頓流體。
　　（2）在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，MEPCM-LM懸浮液的摩擦阻力系數(shù)與理論值（16 Ref=）吻合較好，MEPCM-LM懸浮液可看成牛頓流體。相對(duì)于單相鎵，MEPCM-LM懸浮液的壓降更高，修正的局部對(duì)流換熱系數(shù)*xh更大，且壓降和*xh均隨MEPCM濃度、Re的增加而增大。加熱量的變化對(duì)換熱的影響相對(duì)于MEPCM濃度和Re的影響要

6、小，但其影響不可忽略；在相變完成前，*xh隨加熱量的增大而增大，在相變完成后，*xh隨加熱量的的增大而減小。
　　（3）采用MEPCM-LM懸浮液，在熱充分發(fā)展段的對(duì)流換熱強(qiáng)化效果要好于熱入口段。b m Ste c、是影響MEPCM-LM懸浮液換熱強(qiáng)化的兩個(gè)主要因素，b Ste越小，mc越大，修正的強(qiáng)化換熱比h就越大；ML MR、對(duì)強(qiáng)化換熱的影響不可忽略，但作用不如b m Ste c、明顯。ML越小，MR越小，h就越大；Re對(duì)ME

7、PCM-LM懸浮液的換熱強(qiáng)化有一定影響；Re越小，h的最大值越大，換熱強(qiáng)化效果越好。軸向?qū)嵩鰪?qiáng)了MEPCM-LM懸浮液的換熱強(qiáng)化，且主要在熱入口段產(chǎn)生較大影響，并隨0/x r減小而增大；0eP數(shù)越小，軸向?qū)岬挠绊懺酱?。在相同體積濃度和工況下，流道越短，MEPCM-LM懸浮液*mh相對(duì)于MEPCM-W懸浮液提高的程度越大，更適用于狹小空間的散熱。
　　（4）光管內(nèi)插入扭帶對(duì)MEPCM-LM懸浮液的層流對(duì)流換熱無明顯的強(qiáng)化作用，但

8、流動(dòng)阻力明顯增大，功耗增加，且隨扭帶扭率的減小而增加。
　?。?）對(duì)于以水為載流體的MEPCM-W懸浮液，扭帶的扭率越小，修正的平均努謝爾特?cái)?shù)*m Nu更大；體積濃度越大，扭帶對(duì)MEPCM-W懸浮液的換熱強(qiáng)化效果更好；摩擦系數(shù)隨扭率的減小而增加，隨濃度的增加而增加。同一扭率和相同Re數(shù)下，MEPCM體積濃度越大，綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均越高；當(dāng)20%c=時(shí)，采用4g=或6g=的扭帶進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，其綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)f最高可達(dá)1.32。