微流道换热器的研究与应用
微流道换热器的研究与应用[20191223125006]
摘要
由于微流道换热器换热性能好，它已广泛应用到微电子器件的冷却中,引起了很多研究者的关注。本文首先研究了一些典型的换热器，对比了它们的优缺点，并提出了理论上可行的改进方案。
经研究对比发现，将细通道计算模型设置成长径比为大于或等于70，在减小当量直径的同时，细通道的阻力系数也会增大，传热性能也会增强，而且在层流向湍流的转变中，当量直径的变化是不起作用的。随着细矩形通道高宽比和转捩雷诺数的增大，阻力和传热性能也会增强。由于细通道的恒定的阻力特性，可以通过增加孔隙率来强化传热。
本文还研究了细矩形通道的尺寸对流动传热的影响，并深入了解长径比，当量直径，高宽比和孔隙率对流动和传热的影响。
Abstract
Because of good microchannel heat exchanger performance, it has been widely applied to the cooling of microelectronic devices, causing a lot of attention from researchers. Paper studies some typical heat exchanger, contrast their advantages and disadvantages, and propose possible solutions to improve the theoretical solution.
?? The study comparison, the fine channel model is set to an aspect ratio of greater than or equal to 70, the equivalent diameter is reduced, while the drag coefficient is also fine channels increases, the heat transfer performance will be enhanced, and a layer of turbulent flow changes, the change in equivalent diameter is ineffective. Thin rectangular channel with increasing aspect ratio and transition Reynolds number, the resistance and heat transfer performance will be enhanced. Due to the constant resistance characteristics of fine channels, can be enhanced by increasing the porosity of the heat.
?? Also studied the effect of the size of thin rectangular channel of flow and heat transfer, and in-depth understanding of the aspect ratio, equivalent diameter, the impact of high aspect ratio and porosity on the flow and heat transfer.
第一章 绪论..............................................................................................................7
1.1研究背景..............................................................................................................7
1.1.1当前存在的问题分析.......................................................................................8
1.2微尺度换热器研究的国内外现状......................................................................9
1.2.1国内现状.......................................................................................................9
1.2.2国外现状.....................................................................................................10
1.3典型换热器的分析及存在问题........................................................................10
1.3.1板式换热器.................................................................................................10
1.3.2管壳式换热器.............................................................................................11
1.3.3热管式换热器.............................................................................................11
1.3.4列管换热器...............................................................................................12
1.3.5螺旋板换热器.............................................................................................12
1.3.6微通道换热器.............................................................................................13
1.4研究目标和内容............................................................................................13
1.4.1研究目标.....................................................................................................13
1.4.2本文的研究内容.........................................................................................13
第二章细通道内流体传热理论及数学模型..................................................14
2.1引言....................................................................................................................14
2.2微细尺度的划分................................................................................................14
2.3细通道内流体的流动和传热理论....................................................................14
2.4细通道流动和传热的模型................................................................................16
2.4.1二维粗糙平板细通道流动和传热数学模型.............................................17
2.4.2细矩形通道三维流动和传热数学模型.....................................................18
第三章 设计............................................................................................................20
3.1流体物性的变化对流体传热的影响................................................................20
3.2细矩形通道的几何尺寸对流体流动和传热的影响........................................22
3.2.1长径比对其流动和传热的影响.................................................................23
3.2.2当量直径对其流动和传热的影响.............................................................24
3.2.3高宽比对其流动和传热的影响.................................................................26
3.3细通道孔隙率对流体流动和传热的影响........................................................28
3.4有关笔记本电脑散热器的设计........................................................................29
3.4.1散热器工作条件.........................................................................................29
3.4.2工作液体和管径材料的选择.....................................................................29
3.4.3管径设计计算.............................................................................................30
3.4.4端盖和吸液蕊 ...........................................................................................30
3.4.5热管传热极限计算 ...................................................................................30
3.4.6笔记本散热器的散热能力.........................................................................31
3.5总结与创新........................................................................................................31
第四章 总结与展望..............................................................................................33
4.1总结....................................................................................................................33
4.2下一步工作的展望............................................................................................33
参考文献...................................................................................................................33
第1章绪论
随着技术的不断进步，换热器向小型化发展微型热交换冷却技术，航空技术，温度控制和生物医学上有着广泛的应用。由于器件微型化的概念在我国起步比较晚，所以对微尺度换热器的研究是比较前沿的。
1.1研究背景
微流道换热器的产生主要是由于二十世纪八九十年代高密度微电子和微电子机械系统的冷却问题。
在工业技术的迅速发展的今天，热负荷在许多设备中不断提高。只有仪器在结构上能够提供很好的散热途径，才能将热能扩散到器件外部，使得器件温度上升较慢从而维持系统的稳定。因此，对于目前的电子产品来说，传统的冷却手段已经无法满足当今电子产品的要求。寻找更为高效的冷却技术来应对现在有着重量和体积限制的电子产品，并运用到微型换热器的设计，已经成为一个重大课题。
随着微机械加工技术的发展，对微尺度换热器的研究已经成为可能，从而有助于微尺度换热的新分支的形成。
当电子电路集成化更高时，电子设备计算速度更快，但电子内部散热问题却成为隐患。像电脑芯片堆叠的仪器，热流密度可以达到 瓦/平方米。电子设备正常工作温度在一百摄氏度左右，通常的冷气是无法达到这一要求的,而且传统的散热系统比较庞大,容易出现了“热障问题"。为了解决这种散热问题，需要研究一种散热更加完善的换热器。在八十年代早期,塔克曼等人提出在芯片背侧面用微矩通道和水冷却的方法,散热能力可达790w/c ,这一技术引起了散热研究人员的兴趣，并为解决热障问题提供了可能。
在航天技术中,控制环境温度和维持正常的工作空间仪器还具有重要的意义，也有着很高的要求。因为高度集成的空间仪器，载人和仪器的增加,舱内的热量不断上升,冷却强度可高达 — w/ ,甚至更多,这不是传统的冷却技术可以解决的,这就需要小尺度的换热技术。目前,美国宇宙飞船已经使用从座舱仪表吸收热量的微型管，使用循环流向体外的冷却技术，然后向空间辐射热量。
1.1.1当前存在的问题分析
微细尺度换热器的研究基本都是通过实验来完成的，但是由于实验过程受到很多外界因素的影响，所以大家研究出的实验结果都存在很多的差别。研究中发现细通道的管道直径小于一毫米时，微尺度换热器的传热现象就与常规尺寸的换热器有着较大差距。就目前的实验结果来看，微尺度换热的散热特性还没有一个确定的结论。奥博将细通道内流体的传热特性与常规尺寸的换热器对比却发现两者间有很过的共同点。
朱迪认为实验中对直径的测量以为实验仪器的不同存在很多的误差，而这种误差太多以致于不能与前人的研究做出对比，而且实验中材质，温度，粗超度等外界条件对实验结果都是存在很大的影响的，由于各种实验误差的影响，许多的得出不同的结论，有人认为微尺度换热器的换热性比常规尺度要好，有的人的结论却是微尺度换热器的换热性不如常规尺度。
微细通道内的难题主要集中在以下几个方面：
(l)由于微细通道换热器与常规换热器的尺寸不一样，而很多的文献对微尺度换热器的尺寸测量都不一样。
(2)有些文献认为微尺度换热器比常规换热器散热强，有些文献却认为微尺度换热器与常规换热器散热没有区别。
(3)实验中能考虑到器件材质，温度和粗超度等外部条件，但流体的变物性这种对实验结果有着很大影响，但缺少前人研究成果的，却成为研究中一个比较艰难的问题。
1.2微尺度换热器研究的国内外现状
由于我国对微流道散热器的研究比较较晚,同国际技术水平还存在着很大的差距。当前国际前沿技术已经发展到了纳米技术，当前的微流道传热研究主要是在两个方面进行的，主要就是在宏观和微观两个角度的研究，但需要将两者结合在一起进行研究，在宏观研究的基础上进行创新。
1.2.1国内微尺度换热器研究现状
很早前我国的吴沛宜就开始从事微流道换热的研究,他在微流道换热上的研究成果为后来人提供了很高的研究价值，他通过实验测量了N2、H2和Ar2在细通道内的流动特性,结果表明，微流动阻力系数比传热的比例高出10~30％，层流向湍流转换的雷诺兹数位350~900。接着在他研究的基础上相关科研单位对微流道换热进行了相应的研究,并取得了很好的成果。
1.2.1.1微通道气体流动和传热
微通道内流体的传热过程和常规尺寸是有区别的，主要是流体在流动过程中由于流体的粘性形成的层面。莫海龙等人在五种不同尺寸的细通道换热器内部用N 进行提通道内传热的分析，根据实验结果分析出微尺度换热器的高宽比对细通道内流体的传热有着很大的影响，细通道高宽比的增大会使得细通道内流体流动转换过程加快。
1.2.1.2微通道液体流动和传热
姜明健等人通过实验研究了水等流体在细通道内的传热特性，结果表明细通道内的传热效果要明显优于常规尺度的换热器，在实验中他们还研究出了器件材质，大小尺寸和流体变物性等对细通道内流体传热过程的影响。
1.2.2国外现状
塔克曼和皮斯进行了流体通过微通道的阻力特性的实验分析，实验结果比传统的相关计算结果高。吴对矩形细通道中的气体进行阻力特性的测量，测量结果和常规尺度的换热器存在差异，在层流中，吴发现摩擦系数高于穆迪图，他还发现在层流运动向湍流运动转变时临界雷诺数在变低，雷诺数主要和细通道的粗超度和细通道的尺寸大小等有关，李等人通过数值研究了充分运动的流体状态下的传热特性，研究结果表明一些常规尺寸下的传热特性对微尺度换热也适用的。
1.3典型换热器
1.3.1板式换热器
板式换热器的核心部件是冲压成热板式凹凸波纹，多个压凸凹板层叠在一起形成一个复杂的流动通道，不仅增加了传热面积，还使得流体产生湍流。板式换热器两边是通过钢板夹紧制成的。这样组装的好处就是两边的板容易拆下，方便维修和清洗。
问题 板式换热器的主要缺点就是由于两边钢板间垫片的存在，在换热过程中外部的压强和温度不能过高，压强过高会导致垫片或钢板受到损坏，所以平常经常要控制外部的温度和压强。
图 1-1板式换热器
1.3.2管壳式换热器
管壳式换热器主要是由管状柱子和外壳组成，它的传热主要是将热流通入管内再由管道的壁面对其进行降温从而达到散热的目的，管壳式换热器出现很早，到目前为止，该换热器器已广泛的运用到了生物化工、点力等大型工业领域。一般外壳直径小于1800毫米，9米的长度，在某些情况下也有较大的或更长的时间。
特点 由于管科式换热器是由外壳和内管组成，所以该换热器很结实，由于体积比较大，它内部容量也比常规散热器要大的多，它还有清洗方便，成本低等优点。
问题 在传热效率，紧凑型和金属使用量等方面比不上其他换热器如板式换热器。
图1-2管壳式换热器
1.3.3热管式换热器
热管式一种高效的传热元件通过缩合、在密封的真空蒸发热管工作介质层壳转移，它导热性比较好，热管内部的温度也可以很好的控制，但该换热器容易被氧化，而且由于该换热器材质的原因所以它不能在压强大，温度高的环境下工作，目前对这一缺点做出的改善就是在将该换热器的材质换成陶瓷的。
问题 热管换热器大都用加肋来强化散热但容易积灰结垢。
图1-3列管换热器
1.3.4列管式换热器
在换热器中，流体从管的头部进入，在尾部流出，这叫做管程。而当流体从换热器的接管处流进管道内，然后再从另一接管流出的换热器就叫做列管式换热器。
问题 列管式换热器容易被水垢堵塞，需要长期清洗。
图1-4 螺旋板换热器
1.3.5螺旋板换热器
它是由两张钢板卷制成螺旋形通道，两板间为了保持一定的间距,要在螺旋板两侧焊上盖板，热流经过薄板时通过薄板进行降温，从而达到散热的目的。
螺旋板换热器允许使用高速度，流体的惯性离心力的影响，在低雷兹数达到湍流，因此传热系数低，不易结构和堵塞。
问题 螺旋换热器中由于树脂的沉积易堵塞。
1-5 螺旋换热器
1.3.6微通道换热器
微通道是一种典型的换热器结构可以满足工业发展的需要，它结构紧凑，重量轻，效率高的设计，其结构形式有平流微换热器，烧结多孔微换热器。
优势 体积小，换热系数大，换热效率高。
1.4研究目标和内容
1.4.1研究目标
本文的研究目标主要是在当前对微流道换热器研究的基础上了解几何尺寸和孔隙率等外部条件等对换热器换热的影响，同时利用该结果设计一个理论性的笔记本散热器，在此基础上做出一些自己的创新。
1.4.2本文的研究内容
本文的主要目的是对流体性质变化的几何因素的实验和数值研究，通道的流动和矩形窄缝通道换热的影响。
本文主要研究内容如下:
1.通过文献了解薄形通道流量和通道的几何形状的换热效果，包括几何尺寸的长径比，当量直径，纵横比和孔隙率。
2.在设计笔记本散热器时如何将微尺度换热器利用到散热器中，并在微尺度换热器的基础上做出一定的改善。
第2章细通道内流体传热理论及数学模型
2.1引言
微细通道换热器是一个比较前沿的研究领域。我国对该换热器的研究成果很少。
本章先简单介绍了为细尺度的两种分类， 然后对细通道内部流体单相流动的理论做些介绍，主要针对几个方面：细通道内流体不可压缩的特性，细通道内两种主要的流体运动状态以及两种流体运动状态转变的过程，在相应的介绍两种微尺度换热器的模型：三角形粗糙元平行平板通道模型和三维细通道流动和传热模型。
2.2微细尺度的划分
由于微细尺度的研究目前尚属于前沿科技，前人研究的成果也是存在各式各样的结果，所以对微细尺度分类还没有一个准确的定义。总结后总要分三类：宏观尺度（≥1㎜）、微尺度（1 -1㎜）、细尺度（100 -1㎜）。
由于本文研究的通道尺寸在0.1毫米到1.6毫米左右，所以我们可以将该通道的尺寸定义为细通道。
2.3细通道内流体的流动和传热理论
2.3.1.1细通道内不可压缩流动特性
常规尺度换热器内的流体不可压缩的阻力特性可由图2-1所示的Moody图表示，根据Moody图中的曲线在不同区段的特性可将常规尺度管流分为四个区域;
图2-1莫迪图
第一个区域，临界Re是2300。在这个区域，相对粗超度小于5％的话，达西摩擦系数是可以忽略的，它们的值可以由哈根泊肃叶定律确定：
f=64/Re （2.1）
第二个区域称为临界区，该区域的范围在2300-2400之间。以为这个区域所受到的影响较多，所以该区域的影响是不明确的，所以在该区域F值的变化曲线也不确定。
第三个区域是在临界雷诺数大于四千之间的区域，该区域叫做过渡区，是在临界区和阻力平方区之间的区域,在图中由由表示光滑管的曲线向上一直连接到虚线部分，在该区域内,流动阻力和?/d以及Re都有关,可由Colebrook公式表示:
1/ =-2log[(?/d(
(
细通道内的对流换热的计算主要与细通道内流体流动和换热的条件相关，管内的流动状态主要有层流和紊流换热两种，而层流的换热主要有入口处的层流换热和充分发展段的层流换热两个方面，流体对流过程中主要有均匀管道温度和均匀热流两种情况，
2.3.1.3细通道内流体流动过程
流体在管道内流动时因为流体本身的粘性，流动过程中会形成边界层，边界层会随着流体的流动而不断加厚，影响就是流体流动速度也会随之变化，当边界层面达到一个临界点时，流体流动速度才会稳定。
2.3.1.4细通道温度对流体流动的影响
当流体在细通道内流动时，通道的外界温度也会不断加温，随之流体的流动也会加快，当管壁温度不在变化时，流体的流体就会趋向稳定。
2.3.2细通道内两种流动状态的转换过程
流体在细通道内运动过程主要以两种形态存在：层流和紊流。流体在运动过程中运动比较规则，质点间没有交杂的，叫层流。而相反运动比较混乱，质点比较混合的叫紊流。两者间的转化主要是因为层流流动过程不稳定，微小的扰动就会使层流变成紊流，由于目前对两个间转换的理论还很少，所以对两着间的转换还没有形成定论。
2.4细通道流动和传热的模型
2.4.1二维粗糙平板细通道流动和传热数学模型
图2-2三角形锯齿粗糙元平行平板通道模型，三角形锯齿粗糙元的特点是连接紧密，中间没有间隙。研究中是以水位流体的，该模型下面通入等热流，上面绝热，主要研究的是不同高度下的粗糙元对平行平板流动传热的影响。
图2-2 三角形粗糙元平行平板通道模型示意图
2.计算公式
流体在三角形粗糙元平板通道模型中换热方程：
（2.4）
（2.5）
（2.6）
（2.7）
表2-1 公式中字母含义
研究中通道的尺寸为0.1mm~1.6mm,根据微尺度换热其的定义称之为细通道,传热过程中主要采用流固共扼传热传热技术。
2.4.2细矩形通道三维流动和传热数学模型
图2-3 细通道三维流动和传热几何模型
图2-3为微尺度换热器的几何示意图,该模型密封且绝热，冷却介质经微通道换热的时候，由于细通道两侧的材质、温度、压强等外界条件都是一样的，所以可以选择中间部分来作为实验计算区域，该通道是用硬铝做成的，并使用水作为冷却介质。
2.数学模型
细矩形通道中流动和传热的控制方程为:
（2.8）
2.9）
（2.10）
（2.11）
（2.12）
表2-2 公式中字母的含义
第三章设计
3.1流体物性的变化对流体热的影响
细通道内流体的运动受外部压强和温度的影响会发生变化，根据流体变物性的数据作出图3-1，根据该图，可以总结出外部压强对流体运动过程是没有什么影响的，所以研究中只要考虑外部的温度就行了。
=150.99277+7.54409T-0.02122 +l.82226x （3.1）
=10608.87995-55.7362T+0.15919 一l.49398x （3.2）
=-0.51402+0.00532T-3.35719x -6.23349x （3.3）
=0.11157-9.51523x +2.7249x 一2.6ll07x （3.4）
将流体物性变化的数据通过式（3.1-3.2）拟合成温度，然后再研究流体物性的变化对流体传热的影响，据前人的研究表明常规尺度中对传热过程可以忽略的条件可以应用到微尺度换热器中。
图3-1细通道内水的粘性随温度变化的曲线图
图3-2细通道内水导热系数随温度变化的曲线图
表3-1实验中细矩形通道的几何尺寸
细通道的几何模型如图3一12所示,几何尺寸如表3-1所示根据式3.1一3.4,计算流体变物性的影响。
图3-3细通道内水密度随温度变化的曲线图 图3-4细通道内水的导热系数随温度变化的曲线图
图3-5 f与Re的关联图 图3-6Nu同Re的关联图
如图3—5和图3-6所示，是微通道的实验测定，平均阻力系数的可变的流体特性比入口平均物理参数要大。在流体变物性条件下平均传热性能低于入口条件的平均性能，所以流体性质变化和平均性能会出现一些误差从而会得到微通道换热器的传热性能和常规通道的传热性能不同的结果。
3.2细矩形通道的几何尺寸对流体流动和传热的影响
本小节主要以细通道内流体流动换热的问题进行研究，实验中通过改变长径比，高宽比，当量直径和孔隙率等数据，来研究细通道流体在层流和湍流2种状态下的传热特性。
图3-7 矩形细通道的几何模型示意图 图3-8 矩形细通道换热器实体图
图3-7和图3-8为矩形细通道的结合模型示意图和实体图，该细通道由许多的细通道组成，换热器上面盖上板子用来绝热，热流从换热器底部通入，热流在细通道内通过冷却介质来散热。因为各通道都是相互类似的，所以可以取两通道中间夹杂的区域来计算，该模型的实体材质为硬铝，用水来作为冷却介质。
计算中用三维不可压缩流动模型，等效直径薄矩形通道根据方程(3.5)定义
（3.5）
雷诺数Re：
（3.6）
流动的阻力系数：
（3.7）
表3-1 公式内字母含义
3.2.1长径比对其流动和传热的影响
表3-2 细矩形通道在不同长径比下的几何参数
图3-9 层流f与长径比关联图 3-10 稳流f与长径比关联图
表3一2是在不同长径比下测量的细通道的尺寸，该长径比的范围在20到100之间，图3-9和3-10分别是细通道内两种流体流动状态下的阻力系数和努谢尔特数随长径比变化的情况，在长径比小于70时，变化比较大，而长径比大于70时，变化很小几乎没有，直至趋向稳定。所以计算中要控制长径比大于等于70。
3.2.2当量直径对其流动和传热的影响
3-11不同当量直径的f与Re关联图 3-12不同当量直径的Nu 与Re 关联图
表3-3细矩形通道在不同当量直径下的几何参数
3-13不同当量直径的f与Re关系 3-14不同当量直径的Nu与Re关系图
表3一3是在不同当量直径下测得的细矩形通道的几何参数，图3-18和3-19分别是在同当量直径下的努谢尔特数阻力系数和f Re随Nu变化的关系图，从图3-18中，当量直径在0.1mm到1.6mm之间时，在层流区，雷诺数在300时与常规尺度下测出的数据存在很大的差距，在湍流区，数据就差不多。在图3-19中，当量直径不断增大时，谢尔特数却在不断减小，由于流体种类和通道形状的不同测量结果与计算结果差距很大，在图3-20和图3-21中在高宽比为2时，矩形细通道当量直径的变化对流体由层流向湍流的转变是没有什么影响的。
图3-15细通道在不同当量直径下的f Re与Re关联图3-16局部放大图
Blasius公式为
（3-10）
Dittus一Boelter公式为
（3-11）
式中此处n=0.4,适用范围:
Wu and Little公式为
适用范围:Re>300 （3-12）
3.2.3细通道高宽比对流体流动和传热的影响
表3-4 细矩形通道在不同高宽比下的尺寸
表3一4是在不同高宽比下测得的细通道几何参数，主要是高宽比在2到10之间测得的数据。图3-22和图3-23在不同高宽比的细通道的阻力系数和谢努尔特数变化的关系图。从3-22中可以看出，随着高宽比的变大，细通道的阻力系数也会随之而变大。图3-23中可以看出随着高宽比的变大，努谢尔特数也会随之变大，
图3-17不同高宽比的f与Re关系图
图3-18不同高宽比的Nu与Re关系图
3.3细通道孔隙率对流体流动和传热的影响
表3-5细矩形通道在不同孔隙率下的尺寸
有关细通道流体流动和传热的关系式:
（3-13）
其中
（3-14）
表3一5是在不同孔隙率下测得的细通道的几何参数，主要是测量0.2到0.8之间变化的数据。图3-19和图3-20分别是f和Nu在不同孔隙率下随雷诺数变化的关系图，由图3-19看出中流体的流动特性不受孔隙率的影响。从图3-20中看出细通道的换热性能会随着孔隙率的增加而不断提高。
图3-19不同高宽比的f与Re关系图 图3-20不同高宽比的Nu与Re关系图
总结 从上面的分析对细通道的传热模型可以做出以下结论
(l)要想消除流体在细通道内因流体变物性在通道内形成的层面，就要将细通道的长径比成大于等于70。
(2）通过加大细通道的孔隙率可以有效的改善微尺度换热器的传热效果
(3)随着高宽比的增大，细矩形通道的传热效果要远远优于常规换热器。
(4)细通道的当量直径的变化对微尺度换热器的传热过程是没有什么影响的。
3.4有关笔记本电脑散热器的设计
3.4.1散热器工作条件
经过测量，笔记本的散热空间大约为120 ，笔记本电脑采用三星R439，双核，主频2.53Ghz,能满足大部分笔记本性能的要求，由文献可知热管散热器的散热功率为50W,以为电子器件的正常工作温度为80℃，所以在设计时假设该散热器的正常工作温度为60℃.
3.4.2散热器内工作液体和管壳材料的选择
因为散热器的工作温度大都在60℃左右，所以选择水来作为工作液体。
管壳材料选择的主要要求是要与工作液体可以相互融合，还要满足在正常工作温度下的壳体的结实性，还要考虑经济的适用性，综合考虑选则管壳材料。
3.4.3管径设计计算
管径设计的主要要求就是管道内的蒸汽运行速度不能超过0.2，马赫数的极限值根据公式：
（3-15）
算出d =3.04× mm，那么只要管径的直径大于0.304mm，就不会出现声速极限。
通过对对外散热能力和热管体积两方面的考虑，选择内径为2. 5毫米的热管。
3.4.4充液量
由文献我们可以知道管道内流体的充液量的最佳值选择是20％。
3.4.5热管传热极限计算
单根热管尺寸如图3-26所示。
图3-21 单根热管尺寸
携带极限
沸腾极限
干涸极限
连续流动极限：
在热管尺寸不断减小的同时蒸汽在管内会慢慢减少移动，所以本热管不存在连续流动极限。
根据以上公式可以算出三个传热极限为12.7W、207.8W、1 680.9W，可知此热管的传热量受携带极限的限制，最大为12.7W。
3.4.6笔记本散热器的散热能力
传热系数表达式：
先算出常规散热器的功率大约在70W左右，而设计中用到的热管散热器在常规的散热器基础上传热效果可提高40％左右，可以满足笔记本散热的要求。
3.5总结与创新：
改良后的笔记本散热器示意图：
3-22 改良后的笔记本散热器
总结：本设计采用微细通道换热器的原理将热管与纳米流体（水）结合的设计，由于条件的不允许，该设计是存理论性的设计，缺少实验参数，设计中存在许多不足。因为现在笔记本大多比较薄，内部电子器件集成度比较高，所以需要在较小的空间内设计一个微型散热器，
该散热器通过将热气导入热管中，通过冷却介质水的传热将热量传到风扇中，再由风扇传到笔记本散热器的外部，在原来的基础上做出了一定的改良，就是在风扇和热管中间增加了一个热敏电阻，当笔记本中的温度超过正常工作温度时，热敏电阻就会随之变小，从而使风扇内电流增大，从而增大风扇的功率，风扇转的更快，从而使笔记本的降温速度更快，改良后的笔记本散热器比常规的散热器有着更好的散热性，对温度的控制也更加的准确，而该散热器所用到的热管和冷却流体成本都很便宜，所以该散热器有着很广泛的适用性。
第4章总结与展望
本文在综述了微尺度换热器的产生背景，然后对一些典型的换热器做些介绍，举出这些换热器的优缺点，然后写出微流道换热器在这些换热器上做出的该进，研究细通道尺寸对换热的影响，在此研究的基础上设计一个笔记本换热器并做出一些自己的创新。
4.1总结
1.本文在微尺度换热器研究的基础上，建立了解决微细通道换热器的模型，根据模型研究流体变物性对细通道换热器的影响，结果是在流体变物性条件下的散热性能要小于平均物性下的散热性能。
2.了解了细通道的尺寸（主要是指当量直径、高宽比、长径比）以及细通道的粗超度对细通道内流体传热效果的影响，结果是细通道的传热性能会随着高宽比或长径比的增大而增强（当量直径正好相反），而粗糙度的减小也会使得细通道的传热性能加强。
4.2下一步工作的展望
文中存在的难题及需要完善的部分：
1.有些论文中的数据太难通过实验来完成。
2.对于有些典型的散热器尚未做到深入的了解，只是知道它的定义以及优缺点。
3.对于微流道换热器中一些比较前沿的东西未能做更深层次的学习。
4.觉得自己的创新层面做的不是很完善。
参考文献
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摘要
由于微流道换热器换热性能好，它已广泛应用到微电子器件的冷却中,引起了很多研究者的关注。本文首先研究了一些典型的换热器，对比了它们的优缺点，并提出了理论上可行的改进方案。
经研究对比发现，将细通道计算模型设置成长径比为大于或等于70，在减小当量直径的同时，细通道的阻力系数也会增大，传热性能也会增强，而且在层流向湍流的转变中，当量直径的变化是不起作用的。随着细矩形通道高宽比和转捩雷诺数的增大，阻力和传热性能也会增强。由于细通道的恒定的阻力特性，可以通过增加孔隙率来强化传热。
本文还研究了细矩形通道的尺寸对流动传热的影响，并深入了解长径比，当量直径，高宽比和孔隙率对流动和传热的影响。
Abstract
Because of good microchannel heat exchanger performance, it has been widely applied to the cooling of microelectronic devices, causing a lot of attention from researchers. Paper studies some typical heat exchanger, contrast their advantages and disadvantages, and propose possible solutions to improve the theoretical solution.
?? The study comparison, the fine channel model is set to an aspect ratio of greater than or equal to 70, the equivalent diameter is reduced, while the drag coefficient is also fine channels increases, the heat transfer performance will be enhanced, and a layer of turbulent flow changes, the change in equivalent diameter is ineffective. Thin rectangular channel with increasing aspect ratio and transition Reynolds number, the resistance and heat transfer performance will be enhanced. Due to the constant resistance characteristics of fine channels, can be enhanced by increasing the porosity of the heat.
?? Also studied the effect of the size of thin rectangular channel of flow and heat transfer, and in-depth understanding of the aspect ratio, equivalent diameter, the impact of high aspect ratio and porosity on the flow and heat transfer.
第一章 绪论..............................................................................................................7
1.1研究背景..............................................................................................................7
1.1.1当前存在的问题分析.......................................................................................8
1.2微尺度换热器研究的国内外现状......................................................................9
1.2.1国内现状.......................................................................................................9
1.2.2国外现状.....................................................................................................10
1.3典型换热器的分析及存在问题........................................................................10
1.3.1板式换热器.................................................................................................10
1.3.2管壳式换热器.............................................................................................11
1.3.3热管式换热器.............................................................................................11
1.3.4列管换热器...............................................................................................12
1.3.5螺旋板换热器.............................................................................................12
1.3.6微通道换热器.............................................................................................13
1.4研究目标和内容............................................................................................13
1.4.1研究目标.....................................................................................................13
1.4.2本文的研究内容.........................................................................................13
第二章细通道内流体传热理论及数学模型..................................................14
2.1引言....................................................................................................................14
2.2微细尺度的划分................................................................................................14
2.3细通道内流体的流动和传热理论....................................................................14
2.4细通道流动和传热的模型................................................................................16
2.4.1二维粗糙平板细通道流动和传热数学模型.............................................17
2.4.2细矩形通道三维流动和传热数学模型.....................................................18
第三章 设计............................................................................................................20
3.1流体物性的变化对流体传热的影响................................................................20
3.2细矩形通道的几何尺寸对流体流动和传热的影响........................................22
3.2.1长径比对其流动和传热的影响.................................................................23
3.2.2当量直径对其流动和传热的影响.............................................................24
3.2.3高宽比对其流动和传热的影响.................................................................26
3.3细通道孔隙率对流体流动和传热的影响........................................................28
3.4有关笔记本电脑散热器的设计........................................................................29
3.4.1散热器工作条件.........................................................................................29
3.4.2工作液体和管径材料的选择.....................................................................29
3.4.3管径设计计算.............................................................................................30
3.4.4端盖和吸液蕊 ...........................................................................................30
3.4.5热管传热极限计算 ...................................................................................30
3.4.6笔记本散热器的散热能力.........................................................................31
3.5总结与创新........................................................................................................31
第四章 总结与展望..............................................................................................33
4.1总结....................................................................................................................33
4.2下一步工作的展望............................................................................................33
参考文献...................................................................................................................33
第1章绪论
随着技术的不断进步，换热器向小型化发展微型热交换冷却技术，航空技术，温度控制和生物医学上有着广泛的应用。由于器件微型化的概念在我国起步比较晚，所以对微尺度换热器的研究是比较前沿的。
1.1研究背景
微流道换热器的产生主要是由于二十世纪八九十年代高密度微电子和微电子机械系统的冷却问题。
在工业技术的迅速发展的今天，热负荷在许多设备中不断提高。只有仪器在结构上能够提供很好的散热途径，才能将热能扩散到器件外部，使得器件温度上升较慢从而维持系统的稳定。因此，对于目前的电子产品来说，传统的冷却手段已经无法满足当今电子产品的要求。寻找更为高效的冷却技术来应对现在有着重量和体积限制的电子产品，并运用到微型换热器的设计，已经成为一个重大课题。
随着微机械加工技术的发展，对微尺度换热器的研究已经成为可能，从而有助于微尺度换热的新分支的形成。
当电子电路集成化更高时，电子设备计算速度更快，但电子内部散热问题却成为隐患。像电脑芯片堆叠的仪器，热流密度可以达到 瓦/平方米。电子设备正常工作温度在一百摄氏度左右，通常的冷气是无法达到这一要求的,而且传统的散热系统比较庞大,容易出现了“热障问题"。为了解决这种散热问题，需要研究一种散热更加完善的换热器。在八十年代早期,塔克曼等人提出在芯片背侧面用微矩通道和水冷却的方法,散热能力可达790w/c ,这一技术引起了散热研究人员的兴趣，并为解决热障问题提供了可能。
在航天技术中,控制环境温度和维持正常的工作空间仪器还具有重要的意义，也有着很高的要求。因为高度集成的空间仪器，载人和仪器的增加,舱内的热量不断上升,冷却强度可高达 — w/ ,甚至更多,这不是传统的冷却技术可以解决的,这就需要小尺度的换热技术。目前,美国宇宙飞船已经使用从座舱仪表吸收热量的微型管，使用循环流向体外的冷却技术，然后向空间辐射热量。
1.1.1当前存在的问题分析
微细尺度换热器的研究基本都是通过实验来完成的，但是由于实验过程受到很多外界因素的影响，所以大家研究出的实验结果都存在很多的差别。研究中发现细通道的管道直径小于一毫米时，微尺度换热器的传热现象就与常规尺寸的换热器有着较大差距。就目前的实验结果来看，微尺度换热的散热特性还没有一个确定的结论。奥博将细通道内流体的传热特性与常规尺寸的换热器对比却发现两者间有很过的共同点。
朱迪认为实验中对直径的测量以为实验仪器的不同存在很多的误差，而这种误差太多以致于不能与前人的研究做出对比，而且实验中材质，温度，粗超度等外界条件对实验结果都是存在很大的影响的，由于各种实验误差的影响，许多的得出不同的结论，有人认为微尺度换热器的换热性比常规尺度要好，有的人的结论却是微尺度换热器的换热性不如常规尺度。
微细通道内的难题主要集中在以下几个方面：
(l)由于微细通道换热器与常规换热器的尺寸不一样，而很多的文献对微尺度换热器的尺寸测量都不一样。
(2)有些文献认为微尺度换热器比常规换热器散热强，有些文献却认为微尺度换热器与常规换热器散热没有区别。
(3)实验中能考虑到器件材质，温度和粗超度等外部条件，但流体的变物性这种对实验结果有着很大影响，但缺少前人研究成果的，却成为研究中一个比较艰难的问题。
1.2微尺度换热器研究的国内外现状
由于我国对微流道散热器的研究比较较晚,同国际技术水平还存在着很大的差距。当前国际前沿技术已经发展到了纳米技术，当前的微流道传热研究主要是在两个方面进行的，主要就是在宏观和微观两个角度的研究，但需要将两者结合在一起进行研究，在宏观研究的基础上进行创新。
1.2.1国内微尺度换热器研究现状
很早前我国的吴沛宜就开始从事微流道换热的研究,他在微流道换热上的研究成果为后来人提供了很高的研究价值，他通过实验测量了N2、H2和Ar2在细通道内的流动特性,结果表明，微流动阻力系数比传热的比例高出10~30％，层流向湍流转换的雷诺兹数位350~900。接着在他研究的基础上相关科研单位对微流道换热进行了相应的研究,并取得了很好的成果。
1.2.1.1微通道气体流动和传热
微通道内流体的传热过程和常规尺寸是有区别的，主要是流体在流动过程中由于流体的粘性形成的层面。莫海龙等人在五种不同尺寸的细通道换热器内部用N 进行提通道内传热的分析，根据实验结果分析出微尺度换热器的高宽比对细通道内流体的传热有着很大的影响，细通道高宽比的增大会使得细通道内流体流动转换过程加快。
1.2.1.2微通道液体流动和传热
姜明健等人通过实验研究了水等流体在细通道内的传热特性，结果表明细通道内的传热效果要明显优于常规尺度的换热器，在实验中他们还研究出了器件材质，大小尺寸和流体变物性等对细通道内流体传热过程的影响。
1.2.2国外现状
塔克曼和皮斯进行了流体通过微通道的阻力特性的实验分析，实验结果比传统的相关计算结果高。吴对矩形细通道中的气体进行阻力特性的测量，测量结果和常规尺度的换热器存在差异，在层流中，吴发现摩擦系数高于穆迪图，他还发现在层流运动向湍流运动转变时临界雷诺数在变低，雷诺数主要和细通道的粗超度和细通道的尺寸大小等有关，李等人通过数值研究了充分运动的流体状态下的传热特性，研究结果表明一些常规尺寸下的传热特性对微尺度换热也适用的。
1.3典型换热器
1.3.1板式换热器
板式换热器的核心部件是冲压成热板式凹凸波纹，多个压凸凹板层叠在一起形成一个复杂的流动通道，不仅增加了传热面积，还使得流体产生湍流。板式换热器两边是通过钢板夹紧制成的。这样组装的好处就是两边的板容易拆下，方便维修和清洗。
问题 板式换热器的主要缺点就是由于两边钢板间垫片的存在，在换热过程中外部的压强和温度不能过高，压强过高会导致垫片或钢板受到损坏，所以平常经常要控制外部的温度和压强。
图 1-1板式换热器
1.3.2管壳式换热器
管壳式换热器主要是由管状柱子和外壳组成，它的传热主要是将热流通入管内再由管道的壁面对其进行降温从而达到散热的目的，管壳式换热器出现很早，到目前为止，该换热器器已广泛的运用到了生物化工、点力等大型工业领域。一般外壳直径小于1800毫米，9米的长度，在某些情况下也有较大的或更长的时间。
特点 由于管科式换热器是由外壳和内管组成，所以该换热器很结实，由于体积比较大，它内部容量也比常规散热器要大的多，它还有清洗方便，成本低等优点。
问题 在传热效率，紧凑型和金属使用量等方面比不上其他换热器如板式换热器。
图1-2管壳式换热器
1.3.3热管式换热器
热管式一种高效的传热元件通过缩合、在密封的真空蒸发热管工作介质层壳转移，它导热性比较好，热管内部的温度也可以很好的控制，但该换热器容易被氧化，而且由于该换热器材质的原因所以它不能在压强大，温度高的环境下工作，目前对这一缺点做出的改善就是在将该换热器的材质换成陶瓷的。
问题 热管换热器大都用加肋来强化散热但容易积灰结垢。
图1-3列管换热器
1.3.4列管式换热器
在换热器中，流体从管的头部进入，在尾部流出，这叫做管程。而当流体从换热器的接管处流进管道内，然后再从另一接管流出的换热器就叫做列管式换热器。
问题 列管式换热器容易被水垢堵塞，需要长期清洗。
图1-4 螺旋板换热器
1.3.5螺旋板换热器
它是由两张钢板卷制成螺旋形通道，两板间为了保持一定的间距,要在螺旋板两侧焊上盖板，热流经过薄板时通过薄板进行降温，从而达到散热的目的。
螺旋板换热器允许使用高速度，流体的惯性离心力的影响，在低雷兹数达到湍流，因此传热系数低，不易结构和堵塞。
问题 螺旋换热器中由于树脂的沉积易堵塞。
1-5 螺旋换热器
1.3.6微通道换热器
微通道是一种典型的换热器结构可以满足工业发展的需要，它结构紧凑，重量轻，效率高的设计，其结构形式有平流微换热器，烧结多孔微换热器。
优势 体积小，换热系数大，换热效率高。
1.4研究目标和内容
1.4.1研究目标
本文的研究目标主要是在当前对微流道换热器研究的基础上了解几何尺寸和孔隙率等外部条件等对换热器换热的影响，同时利用该结果设计一个理论性的笔记本散热器，在此基础上做出一些自己的创新。
1.4.2本文的研究内容
本文的主要目的是对流体性质变化的几何因素的实验和数值研究，通道的流动和矩形窄缝通道换热的影响。
本文主要研究内容如下:
1.通过文献了解薄形通道流量和通道的几何形状的换热效果，包括几何尺寸的长径比，当量直径，纵横比和孔隙率。
2.在设计笔记本散热器时如何将微尺度换热器利用到散热器中，并在微尺度换热器的基础上做出一定的改善。
第2章细通道内流体传热理论及数学模型
2.1引言
微细通道换热器是一个比较前沿的研究领域。我国对该换热器的研究成果很少。
本章先简单介绍了为细尺度的两种分类， 然后对细通道内部流体单相流动的理论做些介绍，主要针对几个方面：细通道内流体不可压缩的特性，细通道内两种主要的流体运动状态以及两种流体运动状态转变的过程，在相应的介绍两种微尺度换热器的模型：三角形粗糙元平行平板通道模型和三维细通道流动和传热模型。
2.2微细尺度的划分
由于微细尺度的研究目前尚属于前沿科技，前人研究的成果也是存在各式各样的结果，所以对微细尺度分类还没有一个准确的定义。总结后总要分三类：宏观尺度（≥1㎜）、微尺度（1 -1㎜）、细尺度（100 -1㎜）。
由于本文研究的通道尺寸在0.1毫米到1.6毫米左右，所以我们可以将该通道的尺寸定义为细通道。
2.3细通道内流体的流动和传热理论
2.3.1.1细通道内不可压缩流动特性
常规尺度换热器内的流体不可压缩的阻力特性可由图2-1所示的Moody图表示，根据Moody图中的曲线在不同区段的特性可将常规尺度管流分为四个区域;
图2-1莫迪图
第一个区域，临界Re是2300。在这个区域，相对粗超度小于5％的话，达西摩擦系数是可以忽略的，它们的值可以由哈根泊肃叶定律确定：
f=64/Re （2.1）
第二个区域称为临界区，该区域的范围在2300-2400之间。以为这个区域所受到的影响较多，所以该区域的影响是不明确的，所以在该区域F值的变化曲线也不确定。
第三个区域是在临界雷诺数大于四千之间的区域，该区域叫做过渡区，是在临界区和阻力平方区之间的区域,在图中由由表示光滑管的曲线向上一直连接到虚线部分，在该区域内,流动阻力和?/d以及Re都有关,可由Colebrook公式表示:
1/ =-2log[(?/d(
(
细通道内的对流换热的计算主要与细通道内流体流动和换热的条件相关，管内的流动状态主要有层流和紊流换热两种，而层流的换热主要有入口处的层流换热和充分发展段的层流换热两个方面，流体对流过程中主要有均匀管道温度和均匀热流两种情况，
2.3.1.3细通道内流体流动过程
流体在管道内流动时因为流体本身的粘性，流动过程中会形成边界层，边界层会随着流体的流动而不断加厚，影响就是流体流动速度也会随之变化，当边界层面达到一个临界点时，流体流动速度才会稳定。
2.3.1.4细通道温度对流体流动的影响
当流体在细通道内流动时，通道的外界温度也会不断加温，随之流体的流动也会加快，当管壁温度不在变化时，流体的流体就会趋向稳定。
2.3.2细通道内两种流动状态的转换过程
流体在细通道内运动过程主要以两种形态存在：层流和紊流。流体在运动过程中运动比较规则，质点间没有交杂的，叫层流。而相反运动比较混乱，质点比较混合的叫紊流。两者间的转化主要是因为层流流动过程不稳定，微小的扰动就会使层流变成紊流，由于目前对两个间转换的理论还很少，所以对两着间的转换还没有形成定论。
2.4细通道流动和传热的模型
2.4.1二维粗糙平板细通道流动和传热数学模型
图2-2三角形锯齿粗糙元平行平板通道模型，三角形锯齿粗糙元的特点是连接紧密，中间没有间隙。研究中是以水位流体的，该模型下面通入等热流，上面绝热，主要研究的是不同高度下的粗糙元对平行平板流动传热的影响。
图2-2 三角形粗糙元平行平板通道模型示意图
2.计算公式
流体在三角形粗糙元平板通道模型中换热方程：
（2.4）
（2.5）
（2.6）
（2.7）
表2-1 公式中字母含义
研究中通道的尺寸为0.1mm~1.6mm,根据微尺度换热其的定义称之为细通道,传热过程中主要采用流固共扼传热传热技术。
2.4.2细矩形通道三维流动和传热数学模型
图2-3 细通道三维流动和传热几何模型
图2-3为微尺度换热器的几何示意图,该模型密封且绝热，冷却介质经微通道换热的时候，由于细通道两侧的材质、温度、压强等外界条件都是一样的，所以可以选择中间部分来作为实验计算区域，该通道是用硬铝做成的，并使用水作为冷却介质。
2.数学模型
细矩形通道中流动和传热的控制方程为:
（2.8）
2.9）
（2.10）
（2.11）
（2.12）
表2-2 公式中字母的含义
第三章设计
3.1流体物性的变化对流体热的影响
细通道内流体的运动受外部压强和温度的影响会发生变化，根据流体变物性的数据作出图3-1，根据该图，可以总结出外部压强对流体运动过程是没有什么影响的，所以研究中只要考虑外部的温度就行了。
=150.99277+7.54409T-0.02122 +l.82226x （3.1）
=10608.87995-55.7362T+0.15919 一l.49398x （3.2）
=-0.51402+0.00532T-3.35719x -6.23349x （3.3）
=0.11157-9.51523x +2.7249x 一2.6ll07x （3.4）
将流体物性变化的数据通过式（3.1-3.2）拟合成温度，然后再研究流体物性的变化对流体传热的影响，据前人的研究表明常规尺度中对传热过程可以忽略的条件可以应用到微尺度换热器中。
图3-1细通道内水的粘性随温度变化的曲线图
图3-2细通道内水导热系数随温度变化的曲线图
表3-1实验中细矩形通道的几何尺寸
细通道的几何模型如图3一12所示,几何尺寸如表3-1所示根据式3.1一3.4,计算流体变物性的影响。
图3-3细通道内水密度随温度变化的曲线图 图3-4细通道内水的导热系数随温度变化的曲线图
图3-5 f与Re的关联图 图3-6Nu同Re的关联图
如图3—5和图3-6所示，是微通道的实验测定，平均阻力系数的可变的流体特性比入口平均物理参数要大。在流体变物性条件下平均传热性能低于入口条件的平均性能，所以流体性质变化和平均性能会出现一些误差从而会得到微通道换热器的传热性能和常规通道的传热性能不同的结果。
3.2细矩形通道的几何尺寸对流体流动和传热的影响
本小节主要以细通道内流体流动换热的问题进行研究，实验中通过改变长径比，高宽比，当量直径和孔隙率等数据，来研究细通道流体在层流和湍流2种状态下的传热特性。
图3-7 矩形细通道的几何模型示意图 图3-8 矩形细通道换热器实体图
图3-7和图3-8为矩形细通道的结合模型示意图和实体图，该细通道由许多的细通道组成，换热器上面盖上板子用来绝热，热流从换热器底部通入，热流在细通道内通过冷却介质来散热。因为各通道都是相互类似的，所以可以取两通道中间夹杂的区域来计算，该模型的实体材质为硬铝，用水来作为冷却介质。
计算中用三维不可压缩流动模型，等效直径薄矩形通道根据方程(3.5)定义
（3.5）
雷诺数Re：
（3.6）
流动的阻力系数：
（3.7）
表3-1 公式内字母含义
3.2.1长径比对其流动和传热的影响
表3-2 细矩形通道在不同长径比下的几何参数
图3-9 层流f与长径比关联图 3-10 稳流f与长径比关联图
表3一2是在不同长径比下测量的细通道的尺寸，该长径比的范围在20到100之间，图3-9和3-10分别是细通道内两种流体流动状态下的阻力系数和努谢尔特数随长径比变化的情况，在长径比小于70时，变化比较大，而长径比大于70时，变化很小几乎没有，直至趋向稳定。所以计算中要控制长径比大于等于70。
3.2.2当量直径对其流动和传热的影响
3-11不同当量直径的f与Re关联图 3-12不同当量直径的Nu 与Re 关联图
表3-3细矩形通道在不同当量直径下的几何参数
3-13不同当量直径的f与Re关系 3-14不同当量直径的Nu与Re关系图
表3一3是在不同当量直径下测得的细矩形通道的几何参数，图3-18和3-19分别是在同当量直径下的努谢尔特数阻力系数和f Re随Nu变化的关系图，从图3-18中，当量直径在0.1mm到1.6mm之间时，在层流区，雷诺数在300时与常规尺度下测出的数据存在很大的差距，在湍流区，数据就差不多。在图3-19中，当量直径不断增大时，谢尔特数却在不断减小，由于流体种类和通道形状的不同测量结果与计算结果差距很大，在图3-20和图3-21中在高宽比为2时，矩形细通道当量直径的变化对流体由层流向湍流的转变是没有什么影响的。
图3-15细通道在不同当量直径下的f Re与Re关联图3-16局部放大图
Blasius公式为
（3-10）
Dittus一Boelter公式为
（3-11）
式中此处n=0.4,适用范围:
Wu and Little公式为
适用范围:Re>300 （3-12）
3.2.3细通道高宽比对流体流动和传热的影响
表3-4 细矩形通道在不同高宽比下的尺寸
表3一4是在不同高宽比下测得的细通道几何参数，主要是高宽比在2到10之间测得的数据。图3-22和图3-23在不同高宽比的细通道的阻力系数和谢努尔特数变化的关系图。从3-22中可以看出，随着高宽比的变大，细通道的阻力系数也会随之而变大。图3-23中可以看出随着高宽比的变大，努谢尔特数也会随之变大，
图3-17不同高宽比的f与Re关系图
图3-18不同高宽比的Nu与Re关系图
3.3细通道孔隙率对流体流动和传热的影响
表3-5细矩形通道在不同孔隙率下的尺寸
有关细通道流体流动和传热的关系式:
（3-13）
其中
（3-14）
表3一5是在不同孔隙率下测得的细通道的几何参数，主要是测量0.2到0.8之间变化的数据。图3-19和图3-20分别是f和Nu在不同孔隙率下随雷诺数变化的关系图，由图3-19看出中流体的流动特性不受孔隙率的影响。从图3-20中看出细通道的换热性能会随着孔隙率的增加而不断提高。
图3-19不同高宽比的f与Re关系图 图3-20不同高宽比的Nu与Re关系图
总结 从上面的分析对细通道的传热模型可以做出以下结论
(l)要想消除流体在细通道内因流体变物性在通道内形成的层面，就要将细通道的长径比成大于等于70。
(2）通过加大细通道的孔隙率可以有效的改善微尺度换热器的传热效果
(3)随着高宽比的增大，细矩形通道的传热效果要远远优于常规换热器。
(4)细通道的当量直径的变化对微尺度换热器的传热过程是没有什么影响的。
3.4有关笔记本电脑散热器的设计
3.4.1散热器工作条件
经过测量，笔记本的散热空间大约为120 ，笔记本电脑采用三星R439，双核，主频2.53Ghz,能满足大部分笔记本性能的要求，由文献可知热管散热器的散热功率为50W,以为电子器件的正常工作温度为80℃，所以在设计时假设该散热器的正常工作温度为60℃.
3.4.2散热器内工作液体和管壳材料的选择
因为散热器的工作温度大都在60℃左右，所以选择水来作为工作液体。
管壳材料选择的主要要求是要与工作液体可以相互融合，还要满足在正常工作温度下的壳体的结实性，还要考虑经济的适用性，综合考虑选则管壳材料。
3.4.3管径设计计算
管径设计的主要要求就是管道内的蒸汽运行速度不能超过0.2，马赫数的极限值根据公式：
（3-15）
算出d =3.04× mm，那么只要管径的直径大于0.304mm，就不会出现声速极限。
通过对对外散热能力和热管体积两方面的考虑，选择内径为2. 5毫米的热管。
3.4.4充液量
由文献我们可以知道管道内流体的充液量的最佳值选择是20％。
3.4.5热管传热极限计算
单根热管尺寸如图3-26所示。
图3-21 单根热管尺寸
携带极限
沸腾极限
干涸极限
连续流动极限：
在热管尺寸不断减小的同时蒸汽在管内会慢慢减少移动，所以本热管不存在连续流动极限。
根据以上公式可以算出三个传热极限为12.7W、207.8W、1 680.9W，可知此热管的传热量受携带极限的限制，最大为12.7W。
3.4.6笔记本散热器的散热能力
传热系数表达式：
先算出常规散热器的功率大约在70W左右，而设计中用到的热管散热器在常规的散热器基础上传热效果可提高40％左右，可以满足笔记本散热的要求。
3.5总结与创新：
改良后的笔记本散热器示意图：
3-22 改良后的笔记本散热器
总结：本设计采用微细通道换热器的原理将热管与纳米流体（水）结合的设计，由于条件的不允许，该设计是存理论性的设计，缺少实验参数，设计中存在许多不足。因为现在笔记本大多比较薄，内部电子器件集成度比较高，所以需要在较小的空间内设计一个微型散热器，
该散热器通过将热气导入热管中，通过冷却介质水的传热将热量传到风扇中，再由风扇传到笔记本散热器的外部，在原来的基础上做出了一定的改良，就是在风扇和热管中间增加了一个热敏电阻，当笔记本中的温度超过正常工作温度时，热敏电阻就会随之变小，从而使风扇内电流增大，从而增大风扇的功率，风扇转的更快，从而使笔记本的降温速度更快，改良后的笔记本散热器比常规的散热器有着更好的散热性，对温度的控制也更加的准确，而该散热器所用到的热管和冷却流体成本都很便宜，所以该散热器有着很广泛的适用性。
第4章总结与展望
本文在综述了微尺度换热器的产生背景，然后对一些典型的换热器做些介绍，举出这些换热器的优缺点，然后写出微流道换热器在这些换热器上做出的该进，研究细通道尺寸对换热的影响，在此研究的基础上设计一个笔记本换热器并做出一些自己的创新。
4.1总结
1.本文在微尺度换热器研究的基础上，建立了解决微细通道换热器的模型，根据模型研究流体变物性对细通道换热器的影响，结果是在流体变物性条件下的散热性能要小于平均物性下的散热性能。
2.了解了细通道的尺寸（主要是指当量直径、高宽比、长径比）以及细通道的粗超度对细通道内流体传热效果的影响，结果是细通道的传热性能会随着高宽比或长径比的增大而增强（当量直径正好相反），而粗糙度的减小也会使得细通道的传热性能加强。
4.2下一步工作的展望
文中存在的难题及需要完善的部分：
1.有些论文中的数据太难通过实验来完成。
2.对于有些典型的散热器尚未做到深入的了解，只是知道它的定义以及优缺点。
3.对于微流道换热器中一些比较前沿的东西未能做更深层次的学习。
4.觉得自己的创新层面做的不是很完善。
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