微纳卫星的微尺度传热问题及其解决方法_图文

1、第 39卷 第 9期2007年 9月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报JOURNAL OF HARB I N I N STI T UTE OF TECHNOLOGYVol 139No 19Sep. 2007微纳卫星的微尺度传热问题及其解决方法邵宝东1, 2, 孙兆伟 1, 王丽凤2(1. 哈尔滨工业大学 卫星技术研究所 , 哈尔滨 150080, E 2mail:shbd -1221163. com;2. 昆明理工大学 工程力学系 , 昆明 650093摘 要 :介绍了可以解 决微尺度传热问题的几种微器件及其工作原理 , . 关键词 :微纳卫星 ; 微尺度传热 ; 微槽道 ; 相变传热 中图分

2、类号 :TK16; TH20文献标识码 :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、项目 :国家重点基础研究发展规划资助项目 (5131201 . 作者简介 :邵宝东 (1971 , 男 , 博士 , 讲师 ;孙兆伟 (1965 , 男 , 教授 , 博士生导师 . 微纳卫星以其成本低 、 重量轻 、 研制周期短 、功能密度高和发射灵活等特点 , 作为一种新的飞 行器种类从空间技术领域脱颖而出 . 随着卫星的 尺寸 、 体积 、 质量的不断减小 , 同时不改变其功能 甚至功能更强 , 导致在微小空间内 , 单位时间传输 大量的热量 . 此时的传热过程 、 传热机理与宏观情 况时不同 , 需要用微尺度传热理论来进行研究 . 随 着器件尺寸的不断减小 , 其中的传热和流体行为 将

6、出现强烈的尺寸效应 , 而那些广泛应用于连续 介质体系中的物理量 , 如“ 温度 ” , “ 压强 ” , “ 内 能 ” , “ 熵 ” , “ 焓 ” 及热物性如热导率 、 比热容 、 黏度 等 , 在微尺度水平上均需要重新认识和解释 .本文介绍了目前微尺度传热领域的一些新进 展 , 提出了解决微纳卫星中存在的微尺度传热问题的一些可能的实施方法 .1 微纳卫星的微尺度传热问题目前微纳卫星及微电子机械系统 (ME MS 中 的器件尺寸已经从微米量级进入了亚微米量级 . 由于器件的表面积与器件特征尺度的平方成反 比 , 使得微系统内的热流密度非常大 , 据报道最高 可达 107W /m2量级

7、, 远远高于航天器回归地球时 与大气摩擦产生的高热流密度1. 这样高的热流密度如果不能在短时间内排散掉 , 就可能造成某 些元器件热量集中 , 温度过高 . 而微电子器件的可 靠性对温度十分敏感 , 器件温度在 7080 水平 上每增加 1 , 可靠性就会下降 5%, 所以微电子 器件的冷却问题早在 80年代中期已成为国际微 电子界和国际传热界的热点 2. 随着微纳卫星及 微电子机械系统 (ME MS 中的器件尺寸不断缩 小 , 而单位时间内需要传输的热量不断增大 , 使得 在空间微尺度和时间微尺度条件下的流动和传热问题的研究变得十分重要 .2 微尺度传热问题的研究进展 进入 90年代以来 ,

8、 微 /纳米技术发展很快 , 随 着器件的构件尺寸进一步减小 , 以及微 /纳米激光 加工特征时间的缩短 (10-1210-15s , 都进一步 对传统流体力学和传热学提出了挑战 , 迫切要求 弄清空间和时间微细尺度条件下流动和传热的特 点和规律 , 因此国际上正在逐步形成一个微细尺 度传热的新的分支学科 1. 1993年 7月在日本召 开的 “ 分子与微尺度传输现象 ” 日美联合研讨会 上 , 众多学者都认为 , 20世纪最后十年可能会是关键时刻 3. 1997年 , 1刊 物 (M icr oscale Ther mophysical Engineering , 1998年 7月欧洲在法国

9、召开了微尺度传热的学 术讨论会 .目前 , 国内外学者主要在微槽道流动和传热 、 多孔介质流动传热 、 微型热管 、 微型毛细泵环 、 微 重力下的流动传热 、 高集成度电子设备高热流强 度散热技术 、 微电子机械系统 (ME MS 内部的流 动和传热及相变传热等方面做了多项研究 .目前在微尺度领域里一种广泛得到研究的冷 却措施是硅基微槽热沉 . 非圆槽道硅基微槽热沉 通过高度复杂和经济的加工过程 , 综合了材料兼 容性 、 高面积体积比和高传热潜能的贡献 . 设计合 理的微槽热沉可传输密度为 113×107W /m2的热 流而使温度维持在 130 以内 4. J. L i 等 5采

10、用 简单三维耦合传热模型 (二维流体流动和三维传 热 数值模拟了硅基微槽热沉中的强化对流传 热 . 矩形微槽宽 57m , 深 180m , 长 10mm. 采 用 T DMA 法求解控制方程 , 分析了微槽几何参数 和流体的热物性对流动和传热的影响 . 其研究结 果表明 , 流体的热物性对微槽热沉中的流动和传 热影响很大 ; 对于流体高流率情况 , 沿着流动方 向 , 流体温度呈近线性变化 , 而对于低流率情况则 不然 . Poh 2Seng Lee 等 6实验研究了矩形微槽单 相流预测热行为对基于传统槽道的经典相关的有 效性 . 微槽宽度范围为 194534m , 深度为宽度 的五倍 ,

11、流体介质为去离子水 , R e 数为 300 3500. 基于经典连续方法的数值预测结果与实验 数据符合较好 , 表明传统分析方法能够用来预测 微槽的传热行为 . G . Mohiuddin Mala 等 7研究了 常温下两平行板间微槽的流体流动和传热在固液 界面处的电双层效应 . 采用 Poiss on -Boltz mann 方 程的线性近似解来描述在固液界面处的电双层 区 . 分析了电双层效应和槽道尺寸对速度分布 、 流 势 、 表面粘性 、 温度分布和传热系数的影响 . T odd M. Har m s 等 8研究了矩形深微槽单相强迫对流 传热 , 实验分别对单槽系统和多槽系统进行了测

12、 试 . 微槽的深度约为 1000m , 工作流体为去离 子水 , R e 数为 17312900. 实验获得的局域 Nu 数 与 经 典 槽 道 发 展 流 理 论 吻 合 较 好 . W ahib Owhaib 等 9实验研究了 流过内径分别为 117, 112, 0mm, . Peng 和 Peter 2 对流传热 , 发现横截面比率对层流和湍流下流动 摩擦和对流换热具有显著影响 . Gian Luca Mori 2 ni 10对微槽单相对流换热研究进行了综述 , 比较 不同学者实验结果的差异 , 分析了导致微槽中传 热机理异常行为的原因 , 包括稀薄效应 、 可压缩效 应 、 粘性消散

13、效应 、 电双层效应 、 材料性质变化效 应 、 槽道表面条件 (相对粗糙度 和实验不确定性 等 . Matteo Pasquali 等 11提出一种新方法 , 通过 引入微结构变量 微观特征量的局域期望值来 说明聚合流体的微观结构的演化 ; 扩展了基于局 域平衡假设的不可逆热动力学 , 以使微结构模型 的方程与热动力学第一 、 第二定律相吻合 . M. K . A lka m 等 12用数值方法研究了平板槽道中瞬态 强迫对流 . 为增强流体的传热特性 , 在板内壁中粘 上高导热率的多孔介质衬底 . 研究结果表明 , 可以 通过采用高导热率填充物 、 降低 Darcy 数和提高 微观惰性系数来

14、强化传热 . L in L i w ei 13讨论了目 前和未来 ME MS 应用中关于热问题的两个挑战 , 微尺度相变传热和热焊接处理 . 微阻加热器能产 生单个球形可控直径在 2500m 的热气泡 . 在 微尺度范围内对气泡成核过程进行了简单的稳态 和瞬态分析 , 列举了微气泡驱动激发器 , 微气泡驱 动喷嘴扩散泵 , 微气泡驱动搅拌器在微流体系统 中的应用 , 介绍了在 ME MS 加工和封装中应用的 热焊接处理中 , 几种新型热焊接处理方法包括局 域共 晶 焊 接 , 局 域 熔 焊 , 局 域 化 学 蒸 发 沉 积 (che m ical vapor depositi on 焊接

15、, 局域焊料焊接和 纳秒激光焊接等 . John R. Thome 14回顾了微槽 道沸腾换热的实验和理论研究结果 , 分析了宏观 和微观传热的对比 , 两相流区域 , 微槽道流体沸腾 换热 , 换热机理和流体沸腾模型 . 姜培学等 15对 微尺度换热产生的背景 、 研究现状及存在的问题2631 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 39卷 进行了综述 , 对在微小槽道内流体的流动和传热 与常规尺度下差异的原因和机理进行了分析 , 发 现有些用气体做的实验研究 , 很有可能是处于有 速度滑移和温度跳跃的滑流区 , 速度滑移和温度 跳跃致使阻力系数减小 , 传热减弱 . 余隽等 16从 理论建

16、模 、 实验测试和计算机模拟 3个方面总结 了近年来微尺度薄膜热物性的研究进展 . 何天虎 等 17为解决微尺度下金属薄膜中的热传导问题 , 利用电子 -声子相互作用的抛物型两步热传导模 型 , 考虑金属晶格对热传导的效应 , 研究了一半无 限大金属薄膜在边界上受简谐温度作用的一维热 传导问题 , 应用拉普拉斯变换及数值反变换技术 , 得到了温度的分布 ,散率 F l 、 电子相对热扩散率 F e分布的影响 . 表面的平板流动沸腾特性进行了实验研究 , 获得 了单相对流直到沸腾的 q n -T 特性曲线 , 分析了 流速 、 过冷度和微槽结构对传热特性 、 沸腾状态 以及临界热负荷的影响 .

17、李世岗等 19研究了不同 间隙尺寸下浸没深度对弦月形狭缝微膜蒸发通道 内液氮的热虹吸沸腾换热特性的影响 , 结果表明 通道内流体流量随浸没度的变化而变化 , 并影响 其换热性能 . 通道内的传热和流动过程是耦合的 , 传热因素如热流密度 、 气泡生成频率及脱离直径 等均会影响两相流流体进口流量 、 空隙率及流型 . 在相变传热方面 , 甘云华等 20对微尺度相变传热 作了较为系统的综述 , 论述了控制微尺度相变传 热的准则数 , 分析了沸腾起始点 、 流型 、 压降 、 传热 系数 、 不稳定性 、 临界热流密度 6大关键问题 , 建 议从实验和理论两个方面对微尺度相变传热进行 深入研究 ,

18、以进一步理解其机理 , 为微换热器的设 计 、 制造及运行提供科学依据和指导 .3 微 纳 卫 星微 尺 度 传热 问 题 的 解决 办 法 微纳卫星及微电子机械系统 (ME MS 因其体 积及质量小而功能与普通卫星或机械系统一样或 更强 , 所以其单位体积下的功耗较大 , 单位时间内 会产生大量的热量 . 这些热量如果不能在有限时 间内有效地排散掉 , 就有可能造成某一部件热量 集中 , 温度过高 . 若长时间不能有效解决 , 则会造 成部件快速损耗 , 性能降低 , 丧失工作能力 , 所以 , 对于微小器件来说 , 快速有效传输热量 , 保持一定 的温度范围 , 是其能否正常工作的前提 .

19、 航天器的 热设计通常 决 定 于 某 些 变 量 , 如 地 影 时 间 、 船 (星 载设备的温度要求 、 电子器件耗散功率以及 航天器与太阳之间的距离等 21. 而在微纳卫星的 设计中 , 由于质量和功率的限制 , 限定了负载和星 物管理系统的体积 , 对卫星的每个系统及热控系 统都提出了要求 . 所以在给定功率限制条件下 , 开 发一种采用被动或者驱动功率非常小的主动热控 系统是很重要的 . 热控系统的主要任务是将工作 元件产生的热量在较短时间内传输到热沉 . 根据 卫星内部各元器件之间的热关系 , 主要有 3种热 控方案 :自主热控 , 集中热控和联合热控 22. 自主 , 彼, 其

20、中一些 ( 有一个总热控 , 另外一些器件 (如某些负载 与卫星总线绝热 , 采取自主热控 措施 .对于集中热控和联合热控中的总热控 , 目前 主要的被动热控措施是采用各种不同发射率的表 面涂层作散热器 . 卫星内部每个器件通过开关连 接到散射器上 , 在地影周期内关掉与散热器的连 接 , 在日照周期内则打开与散热器的连接 , 使得每 个器件的热量通过集中传输到散热器而散射到星 外 , 从而保证每个器件保持在适宜的温度范围内 . 而对于自主热控 , 特别是现代微纳卫星中的微型 元器件 , 则采用微尺度换热器 , 液滴冷却 , 微型热 管 , 硅基微槽热沉等技术及新材料的使用 .新材料主要包括高

21、导热率 、 低密度 、 低热膨胀 率 、 高性价比的固体导热材料 , 包括金属材料铝 、 铜 、 银及相应的金属合金以及碳系材料如石墨 、 金 刚石 、 碳纳米管等 ; 在热沉中得到应用的还有一类 多孔或泡沫材料 , 如多孔硅 、 多孔石墨 、 多孔金属 泡沫等 , 由于材料本身导热性能好 , 而扩大化的表 面则有利于应用在对流冷却 、 微型热管上达到强 化散热的效果 23-24; 另外一种导热材料 界面 接触材料 (TI M 通过减少接触热阻 , 增强接触界 面的传热直接改善器件本身的性能和可靠性 25. 好的 TI M 有导热脂 、 金属箔 、 界面相变材料 、 凝 胶 、 镀层 、 胶

22、、 焊料等 ; 此外新型的冷却剂如掺杂高 导热率纳米颗粒或微囊 、 冰水的两相流体等潜热 新功能流体都有望在冷却技术中得到应用 . 相变型微热管 26主要是利用相变潜热大的 特点来强化换热 , 已经成功应用于航空航天及核 工业中的重要场合 , 由于其换热功率非常高 , 在微 尺度下的强化换热中也很有前景 . 液滴冷却使用液滴冲击冷却热芯片 , 也是一 种利用相变过程来强化换热的技术 . 其原理是液 3 6 31第 9期 邵宝东 , 等 :微纳卫星的微尺度传热问题及其解决方法滴在热芯片上受热蒸发 , 遇到冷壁后冷凝成液体 ,再通过某种方式 (自然滴落或振动诱导雾化 返 回到热芯片表面 , 构成闭

23、式循环 . 液滴冷却系统的 特点是 :使用电介质冷却液作为工作介质 ; 通过控 制液滴直径和频率来控制冷却功率 ; 内部可以集 成控制冷却的软件 . 图 1为振动诱导雾化冷却系 统 27, 其结构特点主要是在腔体底部有一个振动 诱导雾化器 , 用来使回流的液体雾化成小液滴返 回到芯片表面 . 这种冷却系统的特点是可控性和 独立性强 .图 1 振动诱导雾化冷却系统 微尺度换热器或微型槽道散热器的流动槽道一般是在很薄的硅片 、 金属或其他合适的材料薄 片上加工而成的 . 这些薄片可以单独使用 , 形成平 板式换热器 28-29; 或者焊在一起 , 形成顺流 、 逆流或交叉流换热器 30-31. 图

24、 2为微尺度换热器结构 图 . 微尺度换热器的特点在于单位体积内的传热 表面积很大 , 表现出热阻低 、 质量轻 、 体积小和工 作流体的流量小等等 . 微尺度换热器具有很广泛 的应用潜力 , 例如电子芯片的冷却 、 飞机和空间飞 行器的冷却 、 低温冷却器 (超流体氦 、 液体氮 、 高 温超导体的冷却 、 强激光镜的冷却和 Stirling 发动 机的冷却等 . 此外 , 还有合成喷气体冷却 , 热电冷 却技术 , 热电离子冷却 , 热声冷却等方法 .图 2 微尺度换热器的结构图 综上所述 , 考虑微纳卫星在轨飞行时热控系统的任务 , 可以用来进行热控制的一种可行的措 施是在星上产热器件的

25、基底上刻蚀深微槽 , 然后在微槽中充入部分冷却液 , 通过微电渗泵驱动冷 却液在微槽中流动 . 一方面 , 冷却液在微槽中的流 动可以带走部分热量 , 另一方面 , 当冷却液受热后 会蒸发汽化 , 产生大量潜热 , 从而达到相变热管的 效果 , 此时微槽中为汽液两相流 . 其结构示意图如 图 3所示 . 其实验分析及实用性有待于进一步 研究 .图 3 微槽热沉结构示意图5 结 论为解决微纳卫星中的散热问题 , 目前在微尺度传热领域里的很多方法可以借鉴 . 各种新型导 热材料 , 相变型微热管 , 液滴冷却装置 , 合成喷气 体冷却 , 热电冷却技术 , 热电离子冷却 , 热声冷却 等方法以及微

26、尺度换热器或微型槽道散热器的设 计研究和制造 , 都将为微纳卫星的热控系统的设 计提供多种多样的选择办法和方案 . 但是 , 有些方 法如热电冷却方法 , 虽然其结构紧凑 、 无运动部 件 , 但是其功率消耗极大 , 不适于星上功率消耗小 的要求 . 所以 , 对于微纳卫星 , 限于自身重量和功 率 , 主要采用被动热控方案 , 相变型微热管 、 TI M 、 各种不同发射率的热控涂层都可用于微纳卫星的 热控设计之中 ; 若采用主动热控 , 则可以采用微电 渗泵或由微气泡提供动力的各种无源微驱动装 置 . 随着微尺度传热理论的研究和新技术的发展 , 人们将会发现和制造重量更轻 , 传热性能更好

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