双层树型微通道热流耦合场数值研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海海事大学 作者:叶飞

  建立了双层树型微通道换热器三维模型,模拟分析了其热流耦合场。对比单、双层树型微通道换热器的最高温度及双层树型微通道在顺流、逆流、交叉流三种情况下的冷却效果及底面温度分布所占比例。底部热流密度qw=50 W·cm-2时,单层树型微通道底面最高温度为102.5 ℃,双层树型微通道底面最高温度低于63.38 ℃,底面温度低于60 ℃部分所占比例均高于60%。双层树型微通道冷却效果明显优于单层,在逆流方式下,双层树型微通道底面温度分布均匀,中心部分具有较低温度,有效改善了一般换热器散热不均而造成的中心部分温度过高的问题。

  引言

  随着芯片的集成和性能不断提高,电子设备趋向大功率、微型化发展。现有芯片级的热流密度已高达106 W/m2,当芯片温度过高时,其稳定性和效率都会下降。风冷和传统液体冷却技术已无法满足日益增长的散热需求,散热问题已经成为制约电子工业发展的主要因素之一。

  单层微通道换热器由Tukerman 等于1981 年提出,近年来已广泛应用于大规模集成电路和微机电系统的冷却。众多学者对微通道内流体流动和换热特性做了一系列的数值计算,单层微通道换热器具有结构简单、单位体积散热效率高等特点,但也存在压降大、消耗泵功率过高、沿通道温度分布均匀性差等缺点。

  Vafia等首次提出具有逆流结构的双层微通道换热器,研究表明,其能显著减小沿通道的温差,相比单层微通道具有更好的换热性能,更适合作为高热流密度电子芯片的冷却装置。Chong等构建了双层微通道的数值模型,采用热阻网络评价微通道的换热性能。Xie等对比了单、双层微通道的换热特性,结果表明双层微通道具有较高的冷却速度,而且具有较低的压降。Hung等采用三维数值模拟对换热器材料、冷却剂种类、通道截面积和几何形状进行了研究。徐尚龙等[15]研究了平行结构、网格结构、螺旋结构和树型结构的单层微通道拓扑结构对电子芯片散热效果的影响,结果表明树型微通道有最好的换热效果。

  文章对比树型单、双层微通道换热器的换热特性,并设计了三种双层树型微通道换热器,根据冷却流体流动方向不同分为顺流、逆流、交叉流型。通过研究其热流耦合场,对比微通道内冷却流体不同流动方式对冷却效果的影响,为芯片冷却用微通道的设计制作提供一定的理论指导。

  1、计算模型

  双层树型微通道换热器结构示意图如图1 所示,其包含依次叠加的下层通道、上层通道及盖板。树型通道由主干道和各级分支组成,主干道沿换热器对角方向,各级分支与主干道呈45°夹角,通道截面均为矩形且深度相同。双层树型微通道内冷却流体的三种流动方式如图2所示,顺流和逆流时主干道平行,交叉流时上下层主干道呈90°。

 双层树型微通道换热器结构示意图

图1 双层树型微通道换热器结构示意图

双层树型微通道内冷却流体的三种流动方式示意图

图2 双层树型微通道内冷却流体的三种流动方式示意图

  4、结论

  文章建立了三维树型微通道换热器模型,对比单、双层微通道的换热冷却效果,并分析了双层微通道冷却流体在三种不同流动方式:顺流、逆流、交叉流条件下的热流耦合场。结论为:

  (1)单层树型微通道表面温度较高,采用双层结构,上层通道对下层通道具有冷却作用,故双层结构可强化冷却效果;

  (2)双层树型微通道的最高温度比单层树型微通道低40 ℃左右,但微通道数量增多会消耗更多泵功率。双层逆流方式下,最高温度为60.82 ℃,已基本达到电子器件的耐受温度范围,在经济适用的前提下,无需采用更多层数,所以应尽可能选用双层微通道换热器;

  (3)双层树型微通道内的冷却流体在顺流、逆流及交叉流方式中,逆流时具有最低温度,底面64.56%的区域温度低于60 ℃,温度分布较均匀且中心部分温度最低,有效改善了一般换热器散热不均而造成的中心部分温度过高的问题。

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