基本介紹
- 中文名：小尺度傳熱
- 外文名：small scale heat transfer
- 尺度：時間尺度、空間尺度
- 分類：小尺度導熱、對流、熱輻射
- 套用：薄膜傳熱、元器件傳熱等
產生背景,形成原因,分類,小尺度導熱,小尺度流動和對流換熱,小尺度熱輻射,主要套用領域,薄膜中的熱傳導,計算機元器件及其傳熱問題,小型換熱器及其傳熱問題,小尺度熱驅動技術,小尺度生物傳熱,
產生背景
小尺度傳熱問題的工程背景來自於80年代高密度微電子器件的冷卻和90年代出現的微電子機械系統中的流動和傳熱問題它的特點是，當空間和時間尺度細化後，出現了很多與常規尺度下不同的物理現象，其原因可以分為兩大類一類是連續介質的假定不再適用，另一類則是各種作用力的相對重要性發生了變化所需研究的挑戰性問題有導熱係數的尺度效應、導熱的波動現象，微小通道中流動和傳熱，流動壓縮性和界面效應等的影響，小尺度下的輻射和相變等。
當特徵尺寸極小是，其與載熱體（分子、電子、聲子、光子）等的平均自由程處於同一量級甚至更低，導熱的Fourier定律、流動的N-S方程已不再適用，微結構表面的輻射性質亦出現奇特的變化，已經不能的效地用傳統的傳熱傳質理論及傳統的實驗方法加以解決，導致了熱現象由巨觀研究到微觀研究的歷史性轉變，促使小尺度傳熱學這一學科的出現和形成。
形成原因
（1）當物體的特徵尺度縮小至與載體粒子（分子、原子、電子、光子等）的平均自由程同一量級或者過程延續的時間達到微秒以至毫微秒量級時，基於連續介質假設而建立的許多巨觀概念和規律就不再適用，如粘性係數、導熱係數等概念需要重新定義，N-S方程和Fourier導熱方程等也不再適用。
（2）物體的特徵尺度遠大於載體粒子的平均自由程，即連續介質的假定仍能成立，但是由於尺度小，使原來的各種影響因素的相對重要性發生了變化，從而導致流動和傳熱規律的變化。
分類
小尺度導熱
（1）導熱係數的尺度效應
導熱係數的尺度效應的物理機制來自於兩個方面：一是與導熱問題中的特徵長度有關；另一方面導熱能力與材料中晶粒大小有關，當尺寸減小時，晶粒尺寸會隨之減小，由於晶粒界面增大，所以輸運能力減弱，導熱係數降低。
（2）導熱的波動效應
研究導熱問題時，最常用的是傅立葉定律，即熱流與溫度梯度成正比，然而，在研究快速瞬態導熱時，發現傅立葉定律不再適用，此時熱量溫度傳播是以波動方式傳播，這與基於傅立葉定律的拋物型導熱方程所闡述的的能量傳遞方式有很大不同。
（3）導熱的輻射效應
電子器件和電子封裝中的介電薄膜材料的導熱行為可能產生異常情況，當膜厚很小時，可以用輻射傳遞問題來分析和討論晶格振動。
小尺度流動和對流換熱
小尺度流動和對流換熱要注意以下幾點：
小尺度換熱器截面圖
小尺度換熱器截面圖（1）微細通道流動阻力規律與常規尺寸條件下不同，不同作者的實驗數據不僅在定量上，而且在定性上互相矛盾（有的認為微細通道中流動阻力大，有的則認為微細通道中流動阻力小）；
（2）充分發展通道流的f·R≠const。認為阻力因子與雷諾數的乘積不再是常數，它應是雷諾數的函式；
（3）微細通道層流向湍流過渡的雷諾數減小，其過渡雷諾數Re可為300~1000；
（4）微細通道流傳熱數據很分散，充分發展的通道流的Nu≠const且是雷諾數的函式；
（5）微細通道湍流的Nu比常規情況高5~7倍。
影響微細流動與傳熱現象的某些因素主要由以下幾點：
（1）流體的壓縮性：由於微細通道內壓力降很大，導致流體密度沿程有明顯的變化，所以必須考慮流體的壓縮性，它不僅會形成加速壓降，而且還將改變速度剖面；
（2）界面效應：在微細管道中液體表面張力將起更為重要的影響，此外，由於固壁有時帶靜電，液體可以有極性，靜電場的存在會阻礙液體中離子的運動，從而使液體流動阻力增加，同時對微細管道中傳熱也會有重要影響；
（3）氣體稀薄效應：氣體的稀薄性一般導致氣體流動阻力降低和換熱減弱。
小尺度熱輻射
在小尺度條件下熱輻射主要與聲子自由程、光子波長和光子相干長度有關。
小尺度熱輻射性質受以下因素影響：幾何光學區、電磁小尺度區、電子傳輸小尺度區、量子尺寸區的輻射特性，小尺度輻射與傳統幾何光學區輻射的偏離；薄膜、微槽表面的熱輻射特性及其製造過程中的熱控制；微多孔材料內的輻射熱傳輸。
主要套用領域
薄膜中的熱傳導
1987年，瑞士科學家發現YBa2Cu3O7陶瓷在溫度35K以上具有超導電性即高溫超導性。人們第一次認識到自然界存在一個超導體及半導體均可工作的溫度範圍，於是一種集超導體-半導體於一身的功能強大的複合器件應運而生。這類器件的基本單元是一種沉積在矽或鎵砷化物基底上的高溫超導薄膜，其內外的傳熱問題與超導的研究和套用密切相關，因而對薄膜熱物性及其熱輸運規律進行研究自然就成為提高儀器性能的關鍵所在。
計算機元器件及其傳熱問題
近年來，微電子工業發展的一個顯著特點是個人計算機和工作站呈爆炸般增長，MEMS的影響遍及儀器、醫療、生物系統、機器人、設計、導航及計算機套用等幾乎所有現代科技領域。我國也開展這一學科的研究，並在納米科學的某些領域如定向碳納米管陣列、一維納米線等還取得了引人注目的成就。
所有這些都說明小型電子機械系統本身所具有的獨特的魅力和意義，在這些小型或中型尺寸的系統中，無一例外地要用到受迫對流空氣來冷卻發熱器件。
小型換熱器及其傳熱問題
小型換熱器涉及相當廣泛的領域，在電子器件、微電子機械系統、一些現代最先進的生物技術和微醫療儀器等方面都得到了充分的套用。隨著當前系統與納米技術的飛速發展，各種令人耳目一新的小型換熱器層出不窮。現代微製造技術的進展已經使得加工由多個水力學直徑在10～1000μm之間的小型管道組成的換熱器成為可能。
小尺度熱驅動技術
在某些環境下，熱信號被認為是控制一些“微小”機器的最合適的工具之一，除電場之外，溫度或溫度梯度可對一定成型表面上的小流體流動起到導向作用，這可能具有重要的套用前景，另一個小尺度熱控制的例子可在印表機工業中找到。
小尺度生物傳熱
對細胞尺度範圍內的傳熱傳質問題的研究近年來逐漸成為生物學研究中的一個重心，其工程背景可在大量的生物材料保存、冷凍乾燥、冷凍外科、高溫腫瘤熱療中找到。小尺度傳熱在一些最先進的生物技術中也得到了套用，如利用生物組織中化學反應速率對溫度的高度敏感性，人們設計了獨特的具有高效熱控性能的矽結構，這種生化反應器件使得多聚酶鏈式反應時間縮短了近十分之一。
