一种类表皮微流控散热装置：构建、能耗与适用面扩展探讨

摘要

微流控技术是在微尺度空间中构建微流动流路并加以精微控制的技术。近年来，这一技术领域从过去仅着眼于阐明微流路内在流动控制或操纵规律，也将一些注意力延展到这种内在微流动性能与外在世界之间的相互作用现象上。类表皮微流控装置，正是其中的一个例子。本论文在构建表皮型微流控技术装置的基础上，探讨这种具有微尺度特征装置的热能耗效应及其应用的可能性。
　　首先，从表皮仿生出发，设计具有叶脉特点的微流路，探讨基于UV平板打印的微流控装置的构建工艺，加工出PDMS/玻璃复合的类表皮型微流控装置。接着，对上述步骤构建的类表皮型微流控装置的热力性能进行了实验表征。为此，在其通道出入口接入热电偶，并将所构建的类表皮微流控装置固定到可适宜温控操作与热成像的实验台上。实验时，使该微流控装置预热至35~40℃，在入口处分别灌以室温与0℃的纯水，在0.5、5、15ml/min的流量下，通过热电偶及红外热像仪记录观测其装置内部流路以及装置外表面的温度变化。结果表明，在0℃的纯水灌流下，该类表皮装置可以15min左右从原先的35~40℃降低到17℃，室温纯水灌流也可达7~10℃的降温效果。进一步从能耗角度的对比分析表明，这种看似简单的类表皮微流控装置，当其内部微流动与外界温度场相互作用，也显示出极为可观的降温与节能效力。
　　围绕这种类表皮装置，建立一维稳态传热模型，结合现有经典公式，根据所设计的通道尺寸，推导出装置内部流量、温度与PDMS/玻璃装置尺寸之间的关系，并结合实验测定数据，通过MATLAB绘制出相关温度的拟合方程，与实验结果进行对比，进一步证明了实验结果的准确性。
　　最后，对类表皮微流控装置技术在生物工程领域的场合如反应器温控、温室大棚，以及其它工程场合的应用可能与前景作了初步分析与展望。

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目录

1 绪 论

1.1问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3本论文研究目的、内容及技术路线

1.4本论文章节安排

2 微流控表皮设计及制作

2.1微流控技术简介

2.2 微流控加工材料与工艺

2.3 微流控表皮仿生设计及加工实验

2.4 小结

3 微流控表皮冷却理论

3.1微流控表皮热分析基本理论

3.2微流控表皮传热模型建立

3.3微流控表皮传热过程分析及相关参数方程

3.3小结

4 微流控表皮散热实验

4.1实验仪器与材料

4.2 实验过程

4.3 实验结果

4.4 小结

5 微流控表皮的工程运用领域及前景探索

5.1微流控表皮工程化探索

5.2温室大棚

5.3建筑表皮

5.4集成电路冷却

5.5光伏太阳能电池板

5.6小结

6 结论与展望

6.1主要工作及创新点

6.2 改进及后续工作

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录与其奖励

B. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目