實(shí)驗(yàn)研究T型微通道與直流微通道的換熱特性

許文博

為了更好的散熱，在微通道的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，本文設(shè)計(jì)T型微通道與雙層微通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。使用T型微通道與直流微通道進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)中，共使用三種微通道，T型、直流、雙層直流進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出T型微通道具有更強(qiáng)的換熱能力，并且可以使被散熱的表面溫度更加均勻，同時(shí)壓降也更小，減小了冷卻液輸送過(guò)程中的能量損失。

1引言

CPU的散熱一直以來(lái)都是影響其工作的重要影響因素，不光是要求CPU表面達(dá)到規(guī)定的工作溫度，同時(shí)如果CPU表面溫度出現(xiàn)過(guò)大的溫度梯度同樣會(huì)影響CPU的工作和其本身的安全性。所以本文介紹了在高效換熱器微通道的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的單雙層T型流動(dòng)的微通道，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比其在不同條件下與雙層直銅微通道的換熱等的對(duì)比情況。并且引入納米流體后對(duì)換熱等結(jié)果情況的影響。

2微通道的發(fā)展

近些年，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子芯片的的功率和集成度急劇增長(zhǎng)，微型元件的運(yùn)行速度高、功率大，系統(tǒng)內(nèi)的熱流密度非常大。同時(shí)還伴隨著電子芯片和各種電子元件的體積不斷縮小。例如，某些大型計(jì)算機(jī)的芯片上承載大量的電容、電阻以及晶體管等電子元器件，并且最新型的芯片出現(xiàn)了多層芯片的概念，這就導(dǎo)致其運(yùn)行過(guò)程中的熱流密度超過(guò)100W·cm2，最高達(dá)到 200W·cm2左右。如果工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散掉，將引起芯片表面溫度的急劇升高，而電子芯片的工作溫度是影響其運(yùn)行可靠性以及壽命的關(guān)鍵因素，溫度分布不均或溫度過(guò)高都會(huì)影響芯片的正常運(yùn)行。有研究表明：電子器件對(duì)溫度十分敏感，溫度是影響其工作可靠性的重要因素，當(dāng)電子元件的工作溫度達(dá)到70℃～80℃之后，如果溫度繼續(xù)升高，將引起電子元件運(yùn)行的工作頻率和可靠性急劇下降，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致芯片的燒毀。另外，當(dāng)微電子元件系統(tǒng)的熱流密度大于100 W·cm2時(shí)傳統(tǒng)的冷卻方式已經(jīng)不能滿足這種高熱流密度電子器件的散熱需求，散熱問(wèn)題已經(jīng)制約了集成電路的發(fā)展，因此，為使電子器件的工作溫度保持在允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)新型高效的冷卻散熱裝置成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

隨著全球化的不斷推進(jìn)，使得更便宜的設(shè)備、更輕的重量、更高的效率得以推廣。微電子機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用使新型的冷卻設(shè)計(jì)可以用于微型設(shè)計(jì)，特別是電子應(yīng)用。提高電子芯片的性能需要使用更多的電阻，這會(huì)導(dǎo)致這些設(shè)備產(chǎn)生大量的熱量。

1981年，Tuckerman和Pease[1]在電子制冷中采用了微換熱器的概念，開(kāi)啟了散熱新機(jī)制的大門，取代了傳統(tǒng)的空氣散熱器的低熱容。增加冷卻系統(tǒng)熱性能的另一個(gè)重要因素是采用合適的冷卻劑。實(shí)踐證明，不同的流體具有不同的流動(dòng)特性，這對(duì)整體性能有很大的影響。近年來(lái)，納米流體在一些工程應(yīng)用中被廣泛應(yīng)用，以提高基礎(chǔ)流體的導(dǎo)熱系數(shù)。傳熱系數(shù)可以通過(guò)增加通道表面積與通道體積的比值來(lái)提高，而且流體本身的傳熱系數(shù)決定了運(yùn)載熱量的能力。因此，全面改善傳熱性能必須集中改變通道的尺寸和換熱器內(nèi)的流體類型。這一領(lǐng)域仍面臨兩大挑戰(zhàn)。首先，利用高輸運(yùn)功率使通道入口和出口之間產(chǎn)生的高壓降。其次，沿通道產(chǎn)生的較大溫差增加了冷卻電子元件中的熱應(yīng)力，致使由于電熱不穩(wěn)定性產(chǎn)生的熱擊穿概率提高。這促使工程師從傳統(tǒng)的單層微通道向雙層或多層微通道轉(zhuǎn)變。Vafai和Zhu[2]提出了雙層微通道散熱器，這是一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，為微型裝置的冷卻系統(tǒng)增加了更多的特性，在這種裝置中，壓降顯著降低，熱量在微通道長(zhǎng)度上分布更好。Gunnasegaran等人的[3]研究表明，雙層微通道最小的水力直徑（D h）在傳熱系數(shù)和溫度分布上具有更好的一致性，壓降和摩擦系數(shù)的性能更好。同時(shí)根據(jù)其結(jié)果表明，矩形通道的傳熱系數(shù)較高，梯形通道次之，三角形通道次之。Hung等人[4]也對(duì)微通道進(jìn)行研究，表明與單層微通道相比相比，雙層微通道提供的傳熱率約為6.3%，壓降顯著降低。單層微通道換熱的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)是，由于從電子芯片中吸收熱量的流體相對(duì)較少，致使沿微通道的溫度急劇上升，因此冷卻劑經(jīng)歷了巨大的溫度上升。并且根據(jù)Sakanova等人[5]研究表明，與單層微通道相比，雙層微通道的耐熱性降低了15%。同時(shí)可以提高了雙層微通道的溫度分布均勻性，提高了電子芯片和半導(dǎo)體器件的性能。

在壓降方面根據(jù)Wei等人[6]研究表明，雙層微通道比單層微通道提供更大的流道，因此單位流量下壓降顯著降低，并隨著下層微通道內(nèi)流動(dòng)速率的增加，上層微通道內(nèi)的熱阻也顯著降低。

調(diào)節(jié)流速也可以對(duì)換熱能力進(jìn)行一定程度的提升。根據(jù)Wang等人[7]研究表明隨著泵送功率的增加，傳熱明顯提高。J.M. Wu等[8]表示將相同的進(jìn)口速度分配給上層和下層微通道的情況相比，調(diào)整上層微通道的進(jìn)口速度使得其小于底部通道的進(jìn)口速度，可以提高在給定泵送功率下雙層微通道的總體性能。在單位給水功率下當(dāng)微通道寬度固定時(shí)，寬高比減小并不總能降低熱阻。而Chuan Leng等[9]研究表明當(dāng)雙層納米流體微通道具有較長(zhǎng)的底部通道、較大的通道數(shù)、較小的通道間距寬高比、或在較小的泵送功率下，頂部冷卻劑的導(dǎo)熱效果非常突出?？锥春烷g隔排布置對(duì)流動(dòng)摩擦和傳熱也有較明顯的影響。

3微通道實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)將整體設(shè)備分為三個(gè)部分，實(shí)驗(yàn)部分、傳輸部分、數(shù)據(jù)處理部分。實(shí)驗(yàn)部分包括模擬芯片、微通道以及為了防止熱量損失的保溫泡沫。傳輸部分包括水槽、管道、各種口徑的轉(zhuǎn)換接頭、蠕動(dòng)泵以及散熱器。數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)采集所用到的K型熱電偶、壓力變送器、數(shù)據(jù)采集器、電腦。

為了盡量還原CPU 的工作狀態(tài)，在這里我們選用PTC恒溫發(fā)熱器。尺寸為30×30×6mm，初始表面溫度為80℃。用PTC恒溫發(fā)熱器作為芯片的模型。在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)并制作了三種微通道以進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。第一種是單層微通道，左右互通，在通道上表面正中間開(kāi)一條寬2毫米長(zhǎng)30毫米的通路，使得冷卻液可以從中間流入從兩端流出。類似T字型流動(dòng)，在這里簡(jiǎn)稱為T1通道。第二種是雙層微通道，是在第一種微通道上再加一層通道，同樣可以實(shí)現(xiàn)T型流動(dòng)，簡(jiǎn)稱T2通道。第三種是雙層通道，左右互通，但上下表面并沒(méi)有可以流入的通路，冷卻液直接從右側(cè)流入從左側(cè)流出。三種微通道長(zhǎng)寬均為40×50mm，單層微通道厚度為2.5mm，雙層微通道的厚度為4.5mm，每個(gè)通道的有效換熱面積為30×50mm。每個(gè)微通道單層均有25條通路，每個(gè)通道長(zhǎng)寬為0.5×0.5mm。微通道的材質(zhì)為鋁合金。下表面冷卻液與模擬CPU的間距為0.5mm。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)在模擬CPU的表面涂上一層銀硅脂，以便加強(qiáng)熱傳導(dǎo)。

傳輸部分的散熱器是以銅板為基礎(chǔ)，為了更明顯地觀察其微通道的換熱效果，保證入口的換熱介質(zhì)溫度恒定，所以安裝兩個(gè)功率為8W的風(fēng)扇進(jìn)行散熱，加速換熱。管道是6mm口徑內(nèi)徑軟管為基礎(chǔ)的，用以寶塔接頭相互轉(zhuǎn)換。使用的蠕動(dòng)泵型號(hào)為WT600，量程為300-9999ml/min，精度為0.1ml/min。

數(shù)據(jù)處理部分選用五根K型熱電偶，兩根放置在流入口與流出口處，其余三根放置在微通道表面各位置，以測(cè)量傳熱的均勻情況。壓力變送器為PT210B-D8型號(hào)，量程為0-300kpa，輸出為4-20mA，電壓為24V。數(shù)據(jù)采集器選用Agilent34972型號(hào)，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娔X當(dāng)中。

4.1 公式與計(jì)算方法

矩形的當(dāng)量直徑

由質(zhì)量分?jǐn)?shù)向體積分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)化

納米流體的比熱容計(jì)算

總的換熱熱量，針對(duì)納米流體在進(jìn)行計(jì)算過(guò)后得到關(guān)于不同種納米流體的等壓比熱容再代入計(jì)算。

雷諾數(shù)

沿程損失

沿程損失系數(shù)

摩擦系數(shù)

4.2不穩(wěn)定性計(jì)算

5均勻性對(duì)比

在CPU工作時(shí)，其溫度決定著其工作性能，同時(shí)如果表面溫度不均勻，是會(huì)嚴(yán)重影響CPU的工作效率和穩(wěn)定性，溫差過(guò)大或存在較大的溫度梯度也可能造成微電子器件的不穩(wěn)定性甚至燒穿。所以首先是對(duì)溫度的均勻性進(jìn)行對(duì)比。

在同一流量下，對(duì)比三種不同微通道表面溫度的情況，在這里我們通過(guò)對(duì)比不同微通道左中右表面的溫度情況進(jìn)行分析。在流速方面因?yàn)槔鋮s液流動(dòng)的橫截面不同，在同一流量下，橫截面越大的流速就越慢，使得流動(dòng)更為均勻。同時(shí)因?yàn)樵赥型流動(dòng)的作用下，使得單位體積的冷卻液流過(guò)的換熱面積更小，進(jìn)而增加了整體微通道的換熱效率。從圖中可以看出三種微通道表面的溫度情況。對(duì)于直通的微通道來(lái)說(shuō)流入端在右側(cè)所以右側(cè)溫度較低，當(dāng)流動(dòng)來(lái)到中間溫度已經(jīng)出現(xiàn)梯度變化，到了左側(cè)流出時(shí)溫差進(jìn)一步增加;而T型流動(dòng)的兩個(gè)微通道流入端在中間，到從兩端流出，表面溫度并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的溫差。甚至對(duì)于T2微通道，變化曲線表現(xiàn)的更加緊湊，說(shuō)明其表面溫差更小，甚至在變化的過(guò)程中都沒(méi)有出現(xiàn)溫差過(guò)大的情況。折線圖中顯示的是三種微通道在不同流量下的平均最大溫差，可以開(kāi)出在增大流量的情況下，三種微通道的整體趨勢(shì)都是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而T1和T2的下降趨勢(shì)相對(duì)平滑，沒(méi)有大幅度的溫差變化，表面溫度也更加平均，沒(méi)有出現(xiàn)較大的梯度變化。冷卻液在a2中流動(dòng)的時(shí)候，從剛開(kāi)始流入通道內(nèi)開(kāi)始吸熱，冷卻液溫度逐漸增加，隨著溫度的增加，冷卻液的比熱容開(kāi)始降低，吸熱能力有少許下降，同時(shí)因?yàn)閱挝惑w積冷卻液流過(guò)的長(zhǎng)度相較T1和T2通道更長(zhǎng)，在不斷的吸熱的過(guò)程中當(dāng)冷卻液流動(dòng)后半段的時(shí)候與剛開(kāi)始流入的冷卻液溫差越來(lái)越大。這種情況在低流量的情況下表現(xiàn)的更明顯。在增加流量后，單位體積的冷卻液在通道內(nèi)停留的時(shí)間變得更短，并沒(méi)有吸收更多熱量，所以溫度梯度相對(duì)變小。

5.1熱量對(duì)比

在通過(guò)流入和流出的冷卻液溫度計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)冷卻液的吸熱量，所繪制出的柱狀圖和折線圖可以看出，在增大流量的情況下三種通道的整體換熱趨勢(shì)是有所上升的，而相對(duì)的a2和T1通道的變化程度相較T2的變化更為劇烈，對(duì)于每一條微通道來(lái)說(shuō)，在增加流量的情況下，a2和T1冷卻液流動(dòng)的冷卻液流動(dòng)橫截面積較小，所以冷卻液的流動(dòng)流量變化也更大，T2內(nèi)冷卻液流動(dòng)流量變化較小，整體的吸熱量變化也較小。

5.2壓降對(duì)比

在整個(gè)流動(dòng)中，壓力損失也是重要的一部分，從圖中可以看出隨著流動(dòng)速度的增加，整體壓降呈上升趨勢(shì)，分開(kāi)來(lái)看，a2的壓降無(wú)論是增速還是增量都要高于其他兩種通道，而T1也同樣要高于T2通道。因?yàn)槿N通道的材質(zhì)相同，所以冷卻液與通道之間的摩擦系數(shù)相同，每個(gè)通道幾何形狀相同，排除重力壓降的影響，三種通道內(nèi)單個(gè)微小通道中冷卻液的流動(dòng)速度不同，而且單位體積的冷卻液流動(dòng)通過(guò)的換熱長(zhǎng)度也有很大不同。在相同流量下a2與T1在單個(gè)微小通道內(nèi)冷卻液的流動(dòng)速度是相同的，而T2內(nèi)單個(gè)微小通道內(nèi)冷卻液的流動(dòng)速度是其他兩個(gè)通道的一半，單位體積的冷卻液通過(guò)的換熱長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，a2是T1和T2的二倍。從沿程損失的角度來(lái)說(shuō)，速度越大能量損失越多，管道的長(zhǎng)度越長(zhǎng)能量損失越大。所以得到的結(jié)論就是a2的壓降要大于T1 T2，而T1壓降大于T2，與實(shí)際數(shù)值相符。

綜合了換熱量、換熱效率來(lái)說(shuō)T2微通道具有更好的換熱性并且擁有更良好的表面均勻性，同時(shí)從壓降分析，T2也有著更少的能量損失，在實(shí)際中可以增加能量的利用效率，帶來(lái)更好的換熱效果。

6結(jié)論

（1）三種不同的微通道進(jìn)行對(duì)比，從三者表現(xiàn)出的均勻性來(lái)看，在相同流速情況下，T型微通道在很大程度上優(yōu)于直流通道。對(duì)于單層和雙層微通道來(lái)說(shuō)，雙層的溫度均勻性要好于單層。同時(shí)在增加流量以后三種通道的表面溫度均勻性都有所提高。直流通道的提高程度較大。

（2）通過(guò)計(jì)算進(jìn)出口溫度來(lái)測(cè)量的三種通道的換熱量來(lái)看，T型通道的換熱量要多于直流通道。因?yàn)橥ǖ乐袉挝惑w積冷卻液所流過(guò)的換熱面積來(lái)說(shuō)T型通道流過(guò)的面積更小，隨著流量的增加，三種通道的換熱量整體呈上升趨勢(shì)，在中間有部分下降的情況。

（3）在測(cè)量壓降時(shí)發(fā)現(xiàn)，T2壓降小于T1小于a2，通過(guò)公式分析因?yàn)榱魉倥c管長(zhǎng)有很大不同，所以在壓降上存在差異，且T2的流動(dòng)管長(zhǎng)和流速都較小所以壓降相對(duì)其他兩種通道也較小。其次是T1通道壓降小于a2通道。

參考文獻(xiàn)

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