樹(shù)型微通道換熱特性數(shù)值研究

鐘崇嵩

(上海雪森林制冷設(shè)備有限公司，上海海港大道1550號(hào)201306)

0 引言

隨著芯片的集成度和性能不斷提高，電子設(shè)備趨向大功率、微型化發(fā)展?，F(xiàn)有芯片級(jí)的熱流密度已高達(dá)100 W/cm2，當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)，其穩(wěn)定性和效率都會(huì)下降。風(fēng)冷和傳統(tǒng)液體冷卻技術(shù)已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的散熱需求，散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約電子工業(yè)發(fā)展的主要因素之一。

單層微通道換熱器由Tuckerman和 Pease［1］于1981年提出，近年來(lái)，它已廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和微機(jī)電系統(tǒng)的冷卻。眾多學(xué)者已對(duì)微通道內(nèi)流體流動(dòng)和換熱特性做了一系列的數(shù)值計(jì)算［2-9］，單層微通道換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積散熱效率高等特點(diǎn)［10］，但也存在壓降大、消耗泵功過(guò)高、沿通道溫度分布均勻性差等缺點(diǎn)。

Vafai和Zhu［11］首次提出具有逆流結(jié)構(gòu)的雙層微通道換熱器，研究表明，它能顯著減小沿通道的溫差，相比單層微通道，它具有更好的換熱性能，更適合作為高熱流密度電子芯片的冷卻裝置。Chong等［12］構(gòu)建了雙層微通道的數(shù)值模型，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)了微通道的換熱性能。Xie等［13］對(duì)比了單、雙層微通道的換熱特性，結(jié)果表明雙層微通道具有較高的冷卻速度，而且具有較低的壓降。Hung等［14］采用三維數(shù)值模擬對(duì)換熱器材料、冷卻劑種類、通道截面積和幾何形狀進(jìn)行了研究。徐尚龍等［15］研究了平行結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)和樹(shù)型結(jié)構(gòu)的單層微通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電子芯片散熱效果的影響，結(jié)果表明樹(shù)型微通道有最好的換熱效果。

本文對(duì)比了樹(shù)型單、雙層微通道換熱器的換熱特性，并設(shè)計(jì)了三種雙層樹(shù)型微通道換熱器:根據(jù)冷卻流體流動(dòng)方向不同分為順流、逆流、交叉流型。通過(guò)研究其熱流耦合場(chǎng)，對(duì)比了微通道內(nèi)冷卻流體不同流動(dòng)方式對(duì)冷卻效果的影響，為芯片冷卻用微通道的設(shè)計(jì)制作提供一定的理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型

樹(shù)型微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，各級(jí)分支與主干道夾角45°，順流和逆流時(shí)主干道平行，交叉流時(shí)上下層主干道呈90°，微通道截面均為矩形且深度相同。微通道的換熱效果與基底和冷卻液體的材料有關(guān):高導(dǎo)熱系數(shù)的基底和高比熱容低粘度的冷卻液體可以增強(qiáng)微通道的換熱效果，所以本文選銅作為基底材料，去離子水作為冷卻液體，其熱物性參數(shù)如表1。

圖1 雙層樹(shù)型微通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Double-layer tree-shaped microchannel

表1 材料的熱物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of the material

樹(shù)型微通道換熱器的尺寸為:11 mm×11 mm×1 mm，通道高度0.6 mm，寬度0.5 mm，蓋板高度0.4 mm。三種流動(dòng)方式下，冷卻流體入口條件相同:溫度 Tin=293 K，速度 uin=0.5 m/s。

假定所有通道有相同的邊界條件，上表面絕熱，下表面具有均勻的熱通量qw=5×105W/m2，忽略空氣自然對(duì)流換熱和輻射換熱，流動(dòng)狀態(tài)為層流且流動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生相變。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，做如下假設(shè):

1.流動(dòng)流體為不可壓縮液體。

2.忽略重力效應(yīng)和輻射傳熱。

3.冷卻液體和微通道具有固定的物性參數(shù)。

4.忽略流動(dòng)過(guò)程中的粘性耗散。

控制方程如下:

固體能量方程:0=ks?2Ts

邊界條件如下:下層冷卻流體入口速度uin1和溫度Tin1，上層冷卻流體入口速度uin2和溫度Tin2，出口壓力恒定;熱流和溫度連續(xù)，流動(dòng)過(guò)程充分發(fā)展，固體和流體界面無(wú)滑移。

其中Dh為水力直徑。Re=318.02，故采用層流模型。

2 溫度場(chǎng)分析

在ANSYSDesign Modeler中建立三維模型后劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為71694個(gè)。在FLUENT中選用層流穩(wěn)態(tài)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn):單層樹(shù)型微通道底面最高溫度為375.65 K，雙層樹(shù)型微通道最高溫度順流336.53 K，逆流 333.97 K，交叉流 335.65 K?？梢?jiàn)雙層樹(shù)型微通道可顯著降低芯片最高溫度、增強(qiáng)冷卻效果。單層樹(shù)型通道的冷卻流體速度分布及溫度分布云圖如圖2和圖3所示。

圖2 冷卻流體速度分布Fig.2 Velocity distribution of coolant

圖3 單層樹(shù)型微通道溫度分布Fig.3 Temperature distribution of single-layer MCHE

雙層樹(shù)型微通道采用三種不同流動(dòng)方式時(shí)底面溫度區(qū)間所占比例如圖4所示。

順流和逆流時(shí)底面溫度低于60℃的部分所占比例分別為64.89%和64.56%，高于60℃所占比例分別為35.11%和35.44%，而交叉流底面溫度高于60℃的部分所占比例為60.54%，低于60℃部分所占比例為39.46%。由于微通道底面與被冷卻芯片接觸，可認(rèn)為微通道底面溫度近似于芯片溫度。交叉流時(shí)底面高于60℃所占比例較順流和逆流高，冷卻效果較差。順流和逆流時(shí)底面溫度區(qū)間所占比例近似，但是逆流時(shí)的最高溫度比順流時(shí)低2.56℃，故雙層樹(shù)型微通道采用逆流的方式具有最好的冷卻效果，其上下兩層微通道的溫度分布云圖如圖5所示。

圖4 三種流動(dòng)方式底面溫度區(qū)間所占比例Fig.4 Bottom temperature ratio of MCHE with different flow mode

圖5 微通道逆流時(shí)上下層溫度分布Fig.5 Temperature distribution of counter flow

樹(shù)型微通道三種流動(dòng)方式底面中部沿y方向的溫度分布如圖6所示。

圖6 三種流動(dòng)方式底面中部溫度分布Fig.6 Mid-bottom temperature distribution of MCHE with different flow mode

順流和交叉流底面中部沿y方向的溫度分布均呈逐漸升高趨勢(shì)，而逆流時(shí)溫度分布較均勻，溫差明顯小于順流和交叉流。結(jié)合微通道底面溫度區(qū)間所占比例可見(jiàn)，逆流時(shí)底面溫差最小，溫度分布均勻，且其中心部分具有較低溫度。

4 結(jié)論

本文建立了三維樹(shù)型微通道換熱器模型，對(duì)比了單、雙層微通道的冷卻效果，并分析了雙層微通道冷卻流體在三種不同流動(dòng)方式:順流、逆流、交叉流條件下的熱流耦合場(chǎng)。結(jié)論如下:

1.雙層樹(shù)型微通道的最高溫度比單程樹(shù)型微通道低40℃左右，所以用于冷卻芯片時(shí)應(yīng)盡可能選用雙層微通道換熱器。

2.雙層樹(shù)型微通道內(nèi)的冷卻流體在順流、逆流及交叉流方式中，逆流時(shí)具有最低溫度，底面64.56%的區(qū)域溫度低于60℃，溫度分布較均勻且中心部分溫度最低，有效改善了一般換熱器散熱不均而造成的中心部分溫度過(guò)高的問(wèn)題。

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