嵌入式微通道散热器实验与数值研究.pdf
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1、前沿技术与交叉科学嵌入式微通道散热器实验与数值研究*姜文涛1,赵锐2,程文龙1(1.中国科学技术大学工程科学学院,合肥230026;2.合肥工业大学汽车与交通工程学院,合肥230009)摘要:针对高热流密度固体激光器的散热问题,借助微机电系统(MEMS)技术,利用微通道/热源协同设计方法,换热器采用连续 S 型微通道,并利用歧管形成分层分段流动,研制出了一套微型紧凑的嵌入式歧管 S 型微通道散热器,并开展了实验研究。使用 HFE-7100 作为冷却工质,在发热面局部最高温度小于 100、平均温升小于 45 的情况下,两相时可带走 625W/cm2的热通量,相比传统的歧管矩形微通道散热器提高了
2、12%,但流阻增大了约 56%;利用数值模拟方法,通过改变 S 型的振幅和波长,根据发热面平均温度、换热面平均努塞尔数、压降和综合性能因子来评估 S 型微通道散热器的结构参数对其散热能力和流动阻力的影响,寻找 S 型微通道的最优结构设计参数组合。结果表明该散热器的综合性能因子在一个特定的 S 型形状下存在最佳值。关 键 词:微通道散热;S 型微通道;歧管;换热实验;数值模拟中图分类号:TK124文献标志码:Adoi:10.11884/HPLPB202335.230071ExperimentalandnumericalstudyofembeddedmicrochannelheatsinkJian
3、gWentao1,ZhaoRui2,ChengWenlong1(1.College of Engineering Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China;2.School of Automotive and Transportation Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:Tosolvetheheatdissipationproblemofhighheatfluxdensitysoli
4、d-statelaser,asetofmicro-compactembeddedmanifoldS-shapedmicrochannelheatsinkwasdevelopedusingtheMEMStechnologyandthemicrochannel/heatsourceco-designmethod.TheheatexchangerusescontinuousS-shapedmicrochannelsandthemanifoldisusedtoformtieredandsegmentedflow.Experimentwasconducted,usingHFE-7100asthecool
5、ingmedium.Resultsshowthattheheatsinkcandissipate625W/cm2,withalocalmaximumtemperatureoflessthan100 and an average temperature rise of less than 45.Compared with the traditional manifold rectangularmicrochannelheatsink,theheatdissipationperformanceofS-shapedmicrochannelincreasedby12%,buttheflowresist
6、anceincreasedbyabout56%.NumericalsimulationmethodswereusedtoevaluatethestructuralparametersoftheS-shapedmicrochannelheatsinksheatdissipationabilityandflowresistancebychangingtheamplitudeandwavelengthoftheSshapeaccordingtotheaveragetemperatureoftheheatingsurface,averageNusseltnumberoftheheat transfer
7、 surface,pressure drop,and comprehensive performance factor,to find the optimal structure designparametercombinationoftheS-shapedmicrochannel.TheresultsshowthatthecomprehensiveperformancefactoroftheheatsinkhasanoptimalvalueunderaspecificS-shapedconfiguration,whichwillbeusedinsubsequentstudies.Keywor
8、ds:microchannelcooling,S-shapedmicrochannel,manifold,heatexchangeexperiment,numericalsimulation固体激光器具有高功率输出、高效能、高可靠性和寿命长的优点,在军事、医疗、通信、材料加工等领域都有广泛的应用。有研究者利用计算流体力学方法(CFD),对固体激光器所用的微通道冷却器结构进行了一些数值模拟研究1-2。其中热点的产生和不均匀的热流密度将为激光器芯片散热带来更大挑战,高热流密度散热问题也愈发明显。微通道液冷是新兴的散热技术之一,自 1981 年 Tuckerman 等人3提出一种高效紧凑的水冷微通道
9、散热器以来,微通道的几何结构就得到了众多学者的研究。*收稿日期:2023-04-01;修订日期:2023-06-02联系方式:姜文涛,。通信作者:程文龙,。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35,No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2023099003-1S 型是微通道的一种结构优化,与矩形微通道相比,它能提供更强的流场扰动和更大的传热面积。目前 S 型微通道的研究主要集中在通道结构设计、仿真优化和实验三个方面。Borah 等人4在雷诺数为 100500 范围内,使用水作为单相换热工质,并在微通道散热器底部应用均匀的热流密度,对带有锥形
10、的波浪形双层微通道散热器的热工水力性能进行了数值分析;Gao 等人5设计了正弦波式 S 型微通道热沉,以去离子水为冷却工质对功率模块进行数值研究,探究了发热功率、进口雷诺数及正弦通道几何参数对热沉传热性能的影响。Li 等人6研究了波状通道对混合微通道的影响,详细分析了热源表面的温度分布和传热特性。指出在特定的横截面下存在最佳的冷却性能。Al-Hasani 等人7通过试验和仿真分析,发现分布于主流域的二次流道可增强冷却流体掺混,进而强化换热,不过会增大压损。Zeng 等人8制造了一种交错 S 型微通道散热器,研究了冷热侧不同雷诺数对传热和流动阻力特性的影响。Jiang 等人9将错排 S 型微通道
11、散热器应用在跨临界天然气研究领域,通过数值模拟分析了错排S 型微通道在不同工作压力和雷诺数下的热工水力性能。为提高微通道的换热性能,不论是增加微通道深宽比还是提高入口流量,都会受到流阻和泵功率的制约。因此,Harpole 和 Eninger10在 1991 年提出了歧管微通道单相流散热的概念。相较于平面流动的传统微通道结构,歧管微通道不仅引入了射流冲击,而且内部多个分级分段的流体入口缩短了微通道内流体有效流动长度,从而降低了压降,具有更好的传热与流动性能。陈超伟等人11设计了特定孔隙率的多孔鳍歧管微通道,可以显著降低热阻和压降。Drummond 等人12-14设计并制造了一种分层歧管矩形微通道
12、,考虑了芯片热点问题,研究了不同深宽比通道的歧管微通道散热器的传热性能,并进行了微通道中过冷沸腾流动的可视化工作。Pan 等人15设计了一种错排式微针肋歧管微通道散热器,探究了相同压降下通道深宽比和针肋排布纵横间距比对传热性能的影响。谢文远等人16借助 MEMS 技术搭建了试验装置,通过歧管结构引入射流效应并缩短微通道长度,在保证高效散热的同时降低流动阻力。在压降小于 40kPa 的情况实现了超过平均 450W/cm2的散热。因此,本工作在歧管矩形微通道散热器的基础上,将流道类型改进为连续 S 型。对歧管 S 型微通道的传热与流动性能进行了实验和数值研究。1微通道实验系统和方法基于微机电系统(
13、MEMS)技术,本文利用微通道/热源协同设计方法,将微通道冷却模块嵌入热测试芯片中,构建出了集成有高热流密度加热模块和高深宽比微通道冷却模块的热测试芯片。同时,换热器采用连续 S 型微通道,并利用歧管形成分层分段流动,研制出了一套微型紧凑的嵌入式歧管微通道散热器。1.1实验台工作原理及组成针对研制出的嵌入式歧管微通道散热器,以电子氟化液 HFE-7100 为工质,搭建了如图 1 所示的流动回路。工质从透明储液罐流出,经过过滤器过滤杂质,由齿轮泵驱动,流量由液体流量计监测。实验件中通过板式换热器实现高温流体冷凝和控温,再回到储液罐。进出口处的压力和温度使用压力传感器和 T 型热电偶进行测量。使用
14、恒温水浴槽提供冷却液,通过微型板式换热器进行高温流体的控温。使用可编程直流电源为九个铂电阻加热器输入电压,电加热模拟面热源发热。九个加热器分别对应四线制 RTD 监测发热面温度,散热器进出口处采用 K 型热电偶测温,压力传感器和微流量计测量压力和流量。所有数据通过安捷伦数据采集仪采集并转换成电信号输出至计算机。1.2实验件结构实验件整体结构如图 2(a)所示,实验件由基座、歧管、微通道板(热测试芯片)、加压板和两片印刷电路板(PCB)组成。微通道板外部尺寸为 20mm20mm0.5mm,正面是加热电路和传感器(图 2(b),模拟面热源并进行测温;背面布置有匹配热源的内嵌微通道阵列(图 2(c)
15、,是换热的主要场所。散热器的实物图如图 2(d)所示,另外通过光学显微镜和电子扫描显微镜观察 S 型和矩形微通道的微观结构,微通道的实际结构参数见表 1。为便于讨论,后续实验结果分析将使用标称通道尺寸,即矩形微通道:15m150m;连续 S 形微通道:15m150m。其余参数与表 1 一致。1.3实验结果和分析实验中,发热面的热流密度 q的计算是通过热输入功率除以芯片发热面积得到的,电加热方式中的热输入功率认为等于供电功率 Pel,则 q可描述为q=QAt=PelAt=UIAt(1)式中:U 为加热器的输入电压;I 为输入电流;At为发热面积,实验件中热测试芯片的发热面积为 0.25mm2。强
16、激光与粒子束099003-2在 22 下,控制实验进口流体温度为 20,选取微通道质量通量分别为 1500、2000 和 2500kg/(m2s),分别测试了热流密度在 0600W/cm2范围内,S 型和矩形微通道的传热与流动性能。1.3.1发热面温度均匀性研究实验件采用如图 3 所示的 9 个蛇形加热器并联发热来模拟芯片面热源,发热面积为 5mm5mm。每个线热源中心布置有测温点(四线制 RTD),连接至数据采集模块后可以实时观察芯片温度变化。实验中,通过 9 个测温点监测散热器发热面的温度变化,对 9 个测温点温度值进行时空平均处理,得到发热面平均温度 Ta。实验中,发热面programm
17、ableDC power supplythermostaticwater bathsplateheatexchangerdataacquisitionmodulecapsule filtertankT1P1ball valvethermocouplepressure sensorpump20 CT2P2P1T1test partflow meterFig.1Schematicdiagramofflowcircuit图1流动回路示意图(a)(b)(d)wires(Au)serpentineheaters(Pt)bondedwires(Al)(c)(e)PCBmanifoldbasepressur
18、isedplatemicrochannelplatewfwfwcwcldld(a)overalldiagram;(b)frontofmicrochannelplate;(c)backofmicrochannelplate;(d)physicalviewoftheheatsink;(e)microchannelstructureFig.2Schematicdiagramoftheheatsink,physicaldiagramofthepackageandmicrostructureofthetwomicrochannels(S-shapedandrectangular)图2散热器整体示意图、封
19、装实物图和两种微通道(S 型和矩形)的微观结构表1微通道结构参数Table1Microchannelstructureparameterstypeofchannelschannellengthlc/mmchannelwidthwc/mchanneldepthld/maspectratioofchannelfinwidthwf/msubstratethicknesslb/mchannelnumbernrectangularmicrochannel5171458.513350167S-shapedmicrochannel5161569.814350167姜文涛,等:嵌入式微通道散热器实验与数值研究
20、099003-3温度分布呈现出了空间上的非均匀性,而高热流密度固体激光器的最高温度和最大温差是关键的性能指标之一。因此,除了以发热面平均温度为基准来评估散热器的传热性能外,还需对发热面温度的均匀性进行探究。当发热面温度大幅升高且长时间达不到稳态温度,或者发热面局部最高温度超过 100 时,会及时停止加热以避免实验件损坏。图 4 为在微通道入口质量通量 G=2000kg/(m2s)时,随着热流密度的增加,实验件(矩形和 S 型微通道)发热面温度的变化情况,包括 9 个测点稳态温度和发热面平均温度 Ta。在低热流密度(小于 250W/cm2)时,因液体热输入低于达到饱和温度所需的热量,微通道内主要
21、进行单相换热,实验件出口工质保持为液态(单相区)。单相区内,矩形微通道散热器发热面最大温差不超过 5,S 型的发热面温度变化不超过 10(如图 5 所示,此时的入口质量通量 G=2000kg/(m2s)。经过对比发现,矩形微通道散热器在单相区的最大温差随热流密度增长较为缓慢,展现出较良好的散热能wires(Au)RTD(Pt)serpentineheaters(Pt)Fig.3Distributionofserpentineheatersonthechipsurface图3发热面蛇形加热器分布情况0100200300400500600heat flux/(Wcm2)11010090807060
22、50403020temperature of chip surface/CT1T3T5T7T2T4T6T8T9Ta0100200300400500600heat flux/(Wcm2)1101009080706050403020temperature of chip surface/CT1T3T5T7T2T4T6T8T9Ta(a)S-shaped microchannel(b)rectangular microchannelFig.4Variationofchipsurfacetemperaturewithheatflowdensity图4发热面温度随热流密度的变化10020030040050
23、060002.55.07.510.012.515.017.520.022.5maximum temperature difference/Cheat flux/(Wcm2)heat flux/(Wcm2)100200300400500600051015202530maximum temperature difference/C(a)rectangular microchannel(b)S-shaped microchannelFig.5Variationofmaximumtemperaturedifferenceonthechipsurfacewithheatflowdensity图5发热面最
24、大温差随热流密度的变化强激光与粒子束099003-4力。进入两相区后,矩形微通道散热器的最大温差先是进一步减缓增长,而后加速增长,原因是较早达到了临界热流密度(CHF),出现了传热恶化。相比之下,S 型微通道散热器的发热面最大温差一直保持稳步增长,单相与两相换热的区别不大,但温度均匀性不如矩形微通道,推测和封装公差有关。后续实验中,均观察到上述的发热面温度变化趋势。单相区时,发热面各处温度相对均匀;进入两相区,局部温度逐渐发散,表面最大温差出现在最大热流密度处,此时通道底部可能发生局部干烧,出现传热恶化。1.3.2传热曲线低热流密度时,工质主要进行单相换热,表面温度随热流密度增大而线性增加,如
25、图 6 所示。入口质量通量越大,流速越高,单相换热的传热曲线斜率越大,相同的发热面温度下可以带走更高的热流密度。不同质量通量下,传热曲线均出现转折热流密度,之后汽化加剧,通道底部出现局部沸腾,两相换热开始占优。对比两种微通道,单相区的换热能力较为接近,但 S 型的两相换热能力明显强于矩形,矩形微通道在 600W/cm2以下就出现了传热恶化。因此 S 型微通道适合需要两相换热的高热流密度散热器热管理方案。1.3.3进出口压降图 7 显示了三种入口质量通量下,S 型与矩形微通道进出口压降 p 随热流密度变化的曲线。该压降评估了流体经过基座和歧管内通道变向和分配阻力,以及微通道内流体的流动阻力。不同
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