樹型微通道換熱特性數值研究

鐘崇嵩

(上海雪森林制冷設備有限公司，上海海港大道1550號201306)

0 引言

隨著芯片的集成度和性能不斷提高，電子設備趨向大功率、微型化發展。現有芯片級的熱流密度已高達100 W/cm2，當芯片溫度過高時，其穩定性和效率都會下降。風冷和傳統液體冷卻技術已無法滿足日益增長的散熱需求，散熱問題已經成為制約電子工業發展的主要因素之一。

單層微通道換熱器由Tuckerman和 Pease［1］于1981年提出，近年來，它已廣泛應用于大規模集成電路和微機電系統的冷卻。眾多學者已對微通道內流體流動和換熱特性做了一系列的數值計算［2-9］，單層微通道換熱器具有結構簡單、單位體積散熱效率高等特點［10］，但也存在壓降大、消耗泵功過高、沿通道溫度分布均勻性差等缺點。

Vafai和Zhu［11］首次提出具有逆流結構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］構建了雙層微通道的數值模型，采用熱阻網絡評價了微通道的換熱性能。Xie等［13］對比了單、雙層微通道的換熱特性，結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］采用三維數值模擬對換熱器材料、冷卻劑種類、通道截面積和幾何形狀進行了研究。徐尚龍等［15］研究了平行結構、網格結構、螺旋結構和樹型結構的單層微通道拓撲結構對電子芯片散熱效果的影響，結果表明樹型微通道有最好的換熱效果。

本文對比了樹型單、雙層微通道換熱器的換熱特性，并設計了三種雙層樹型微通道換熱器:根據冷卻流體流動方向不同分為順流、逆流、交叉流型。通過研究其熱流耦合場，對比了微通道內冷卻流體不同流動方式對冷卻效果的影響，為芯片冷卻用微通道的設計制作提供一定的理論指導。

1 計算模型

樹型微通道換熱器結構示意圖如圖1所示，各級分支與主干道夾角45°，順流和逆流時主干道平行，交叉流時上下層主干道呈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:高導熱系數的基底和高比熱容低粘度的冷卻液體可以增強微通道的換熱效果，所以本文選銅作為基底材料，去離子水作為冷卻液體，其熱物性參數如表1。

圖1 雙層樹型微通道結構示意圖Fig.1 Double-layer tree-shaped microchannel

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

樹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，忽略空氣自然對流換熱和輻射換熱，流動狀態為層流且流動過程中不會發生相變。為簡化問題，做如下假設:

1.流動流體為不可壓縮液體。

2.忽略重力效應和輻射傳熱。

3.冷卻液體和微通道具有固定的物性參數。

4.忽略流動過程中的粘性耗散。

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，流動過程充分發展，固體和流體界面無滑移。

其中Dh為水力直徑。Re=318.02，故采用層流模型。

2 溫度場分析

在ANSYSDesign Modeler中建立三維模型后劃分網格，節點數為71694個。在FLUENT中選用層流穩態模型，通過數值計算發現:單層樹型微通道底面最高溫度為375.65 K，雙層樹型微通道最高溫度順流336.53 K，逆流 333.97 K，交叉流 335.65 K。可見雙層樹型微通道可顯著降低芯片最高溫度、增強冷卻效果。單層樹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 單層樹型微通道溫度分布Fig.3 Temperature distribution of single-layer MCHE

雙層樹型微通道采用三種不同流動方式時底面溫度區間所占比例如圖4所示。

順流和逆流時底面溫度低于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，可認為微通道底面溫度近似于芯片溫度。交叉流時底面高于60℃所占比例較順流和逆流高，冷卻效果較差。順流和逆流時底面溫度區間所占比例近似，但是逆流時的最高溫度比順流時低2.56℃，故雙層樹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 三種流動方式底面溫度區間所占比例Fig.4 Bottom temperature ratio of MCHE with different flow mode

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

樹型微通道三種流動方式底面中部沿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，而逆流時溫度分布較均勻，溫差明顯小于順流和交叉流。結合微通道底面溫度區間所占比例可見，逆流時底面溫差最小，溫度分布均勻，且其中心部分具有較低溫度。

4 結論

本文建立了三維樹型微通道換熱器模型，對比了單、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方式:順流、逆流、交叉流條件下的熱流耦合場。結論如下:

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

2.雙層樹型微通道內的冷卻流體在順流、逆流及交叉流方式中，逆流時具有最低溫度，底面64.56%的區域溫度低于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高的問題。

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