高等传热学课程论文

微细尺度传热研究及其应用

摘要：微细尺度传热问题来自于微电子机械系统中的流动和传热问题。它的特点是当空间和时间尺度微细化后,出现了很多与常规尺度下不同的物理现象,其原因可以分为两大类：一类

是连续介质的假定不再适用,另一类则是各种作力的相对重要性发生了变化。所需研究的挑战性问有：导热系数的尺度效应、导热的波动现象, 微小通道中流动和传热, 流动压缩性和界面效应等的影响,微细尺度下的辐射和相变等。本文综述微尺度热科学的理论建模、实验测试方法及计算机模拟等三方面的研究进展,重点讨论各理论模型的适用条件及优缺点以及介绍了微尺度传热在各领域的应用。

关键词：传热,微细流动, 微细传热, 微细相变, 尺度效应，模型

1、引言

微电子领域是最早提出徽尺度流动和传热问题的工程领域, 随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和高可靠大功率器件的要求,一方面器件的特征尺寸愈小愈好,已从微米量级向亚微米发展, 另一方面器件的集成度自1959年以来每年以40%～50%高速度递增。80年代中期,每一个芯片上就已有106个元件,虽然每个元件的功率很小,这样高的集成度使热流密度高达5×10 5W/m2,它已相当于飞行器返回大气层高速气动加热形成的高热流密度。要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把这样高的热量带走,传统的冷却技术和传热关系式已不再适用。特别要强调的是, 微电子器件的可靠性对温度十分敏感,器件温度在70℃～80℃水平上每增加1℃,其可靠性将下降5%, 所以微电子器件的冷却问题早在80年代中期己成为国际微电子界和国际传热界的热点。美国IEEE每年召开的半导体器件的热测量和热管理会议到1999年已召开了15届。美国ASME组织的电子系统中热现象会议到1997年已开到第7届。目前CPU的速度是3.3nm（300MHz）,微电子系统发展方向是智能化,要求CPU的速度是10ps～1ps,即要求速度提高2～3个量级,而速度的提高主要受限于器件的功耗和散热能力,因此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显得十分重要。

90年代初, 微型电子机械系统在国际上形成了一个新兴的技术领域。自1987年美国加州大学伯克利分校研制成功转子直径为60μm～120μm的硅微型静电电机以来,包括微驱动器、微执行器、微传感器等的微型电子机械系统得到了快速的发展。一方面因微电子集成电路与环境的联接必须依靠微型机械,另一方面微型电子机械系统在工业、国防、航空航天、航海、医学和生物工程、农业等领域有着巨大的应用前景,所以美国国家科学基金会自1998年起重点资助MIT, 加州大学等8所大学和贝尔实验室从事微型电子机械系统的研究计划,日本通产省自1991年度开始实施为期10年,总投资为250亿日元的“微型机械技术”的大型研究开发计划, 欧洲则于1990年就开始微型系统的研究。

进入年代以来,微/纳米技术的发展很快。随着器件的构件尺寸的进一步减小,

以及微/纳米激光加工的特征时间的缩短（10−12s～10−15s）都进一步对传统的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一个新的分支学科例如,美国从布什政府开始组织了一个庞大的专家团,要求他们从美国在世界市场中的竞争性、增强国防、保障能源安全等方面来确定国家的关键技术他们列出的关键技术为材料、加工、信息、通讯、生物、能源和交通等七个领域,并归纳出针对此七个领域的共同的科学问题, 其中之一就是空间、时间微细尺度条件下的传热问题。与此同时,微尺度流动和传热过去只是在各种国际会议分会场的题目,而在1997年,国际传热传质中心首次召开微传热的国际会议（International Symposium on Molecular and Microscale Heat Transfer in Material Processing and Other Application）, 1998年7月欧洲在法国召开了微尺度传热的学术讨论会.1997年1月美国还出版了以Professor C.L.Tien 为主编的微尺度热物理工程的学术刊物。这些都表明了正在形成微细传热这个新的学科分支。

2、微细尺度传热的特点

微细尺度传热之所以正在形成一个新的学科分支,是因为当尺度微细化后,其流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象,换言之,当研究对象微细到一定程度以后,出现了流动和传热的尺度效应在微电子机械系统中通常是指器件的尺寸缩小至毫米、微米或更小量级时称之为微型器件或微型机械, 这不过是一种笼统的说法,更重要的是要讨论和研究尺度微细化后出现的机械、力学和热学等现象和规律的变化,以及微细到什么程度才出现这些变化等等。因此,“微细”只是一个相对的概念,而不是指某一特定尺度至于要缩小到哪一个尺度才能称微细,这要看讨论的是哪些物理现象。例如对于竖板自然对流换热,当物体尺度缩小至厘米量级时,其换热规律已有明显不同,所以这时厘米级就可称“微细”,而当讨论的问题涉及连续介质假定或Navier-Stokes方程是否适用等问题时,物体的尺寸即使小到微米的量级,有时也不能看作为“微细”,因为它仍比分子平均自由程高1～2个数量级,所以连续介质假定、Navier-Stokes方程仍然是适用的。

微细尺度还包括时间尺度上的微细例如快速和超快速加热和冷却过程就属于时间尺度微小化的物理问题。

微细尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的不同的原因可以分为两大类：

（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子（分子、原子、电子、光子等）的平均自由程同一量级时,基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用,粘性系数、导热系数等概念要重新讨论, Navier-Stokes方程和导热方程等也不再适用。

（2）物体的特征尺寸远大于载体粒子的平均自由程,即连续介质的假定仍能成立,但是由于尺度的微细,使原来的各种影响因数的相对重要性发生了变化,从而导致流动和传热规律的变化。

连续介质假设下，尺度效应的一下三种情况值得注意：

（1）由于惯性力与物体特征尺寸成反比,而粘性力与特征尺寸的二次方成反比。所以当尺度微细时,惯性力与粘性力的比愈来愈小,其结果将导致微细尺度条