歧管式微通道热沉中过冷流动沸腾的数值模拟
发布时间：2021-03-04 01:50
歧管式微通道（manifold microchannel, MMC）热沉散热技术是新兴的微尺度电子冷却技术,具有较高的散热潜力和应用前景.本文使用基于开源软件OpenFOAM编写的自编程求解器,对MMC热沉内过冷流动沸腾的过程进行数值模拟研究.与实验数据进行比对验证之后,对微通道热沉的通道宽度和翅片宽度变化带来的影响进行了初步探讨.结果表明,当通道和翅片的宽度相同时,尺寸越小,热沉加热面的平均温度越低,换热性能越好;但是当宽度过小时（小于15μm）,热沉进出口总压降将随着宽度变小而大幅增加.当MMC热沉的通道总数保持不变时,增大微通道宽度,翅片宽度减小,加热面平均温度逐渐上升,进出口压降减小.与经过实验测试的热沉样品A相比,热沉C在牺牲少量换热性能的前提下,可以大幅度降低热沉进出口的压力损失.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(17)北大核心
【文章页数】：8 页
【图文】：
(网络版彩色)测试芯片底面平均温度与热流密度的关系
本文选取Drummond等人[14]的MMC热沉阵列流动沸腾实验进行数值模拟分析,具体结构尺寸如图1所示图1(a)为芯片表面散热结构布置的俯视图.该测试芯片的尺寸为5 mm×5 mm,芯片被等分成9个正方形区域每个区域装配一个MMC热沉(1.5 mm×1.5 mm).MMC热沉的微通道结构直接刻蚀于测试芯片表面,随后与硅材料制作的分流器黏合,形成完整的流道结构.图1(b)为图1(a)中的一部分MMC热沉,表示MMC热沉有一个矩形的入口区,且该区域对应刻蚀有50条平行微通道的芯片表面.过冷液从入口区域进入MMC热沉,随后进入50条微通道中,冲击芯片并向两侧分流,最后汇流于出口区域排出MMC热沉,如图1(c)所示.对MMC热沉进行整体的数值模拟将十分耗费计算资源,因此本文利用该结构的对称性,采用提取单元模型的方法对计算域进行有效简化.如图1(d)所示,单元模型主要由半块翅片和半个微通道组合而成.该长方体区域的4个侧面均为镜像对称面,其体积只占MMC热沉的1/200,将显著降低计算资源消耗.入流的过冷液到达翅片顶端时经过突缩后进入微通道内,随后冲击在通道底部并分为两路,沿着基底流动一段距离后与对向来流汇合,并向上经过突扩结构流出微通道.在液体经过微通道时,流动沸腾同时发生,因此出口处的流体应为气液混合物.更为详细的实物结构示意图可见于文献[14].MMC热沉中过冷流动沸腾冷却的制冷剂为HFE-7100,主要原因在于该工质具有电绝缘性和低沸点(66°C)特性,而且该工质与固体材料接触时基本表现为亲水特性,有利于提升流动沸腾的换热性能.本研究假设工质的物性为常量,详细数据见表1[15,16].为简化模拟过程,做出如下假设:(1)流体与固体均表现为常物性;(2)测试芯片底面加热为均匀热流;(3)装配引起的误差可忽略不计;(4)忽略重力;(5)不考虑接触热阻.
(网络版彩色)0.2 s时热沉温度分布与相分布.
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同肋片结构的印刷电路板换热器传热与阻力特性[J]. 褚雯霄,李雄辉,马挺,曾敏,王秋旺. 科学通报. 2017(16)
[2]微/纳尺度高功率电子器件产热与传热特性[J]. 王博,宣益民,李强. 科学通报. 2012(33)
[3]岐管式微通道冷却热沉的三维数值优化[J]. 夏国栋,刘青,王敏,马晓雁,刘启明,马重芳. 工程热物理学报. 2006(01)
本文编号：3062351
【文章来源】：科学通报. 2020,65(17)北大核心
【文章页数】：8 页
【图文】：
(网络版彩色)测试芯片底面平均温度与热流密度的关系
本文选取Drummond等人[14]的MMC热沉阵列流动沸腾实验进行数值模拟分析,具体结构尺寸如图1所示图1(a)为芯片表面散热结构布置的俯视图.该测试芯片的尺寸为5 mm×5 mm,芯片被等分成9个正方形区域每个区域装配一个MMC热沉(1.5 mm×1.5 mm).MMC热沉的微通道结构直接刻蚀于测试芯片表面,随后与硅材料制作的分流器黏合,形成完整的流道结构.图1(b)为图1(a)中的一部分MMC热沉,表示MMC热沉有一个矩形的入口区,且该区域对应刻蚀有50条平行微通道的芯片表面.过冷液从入口区域进入MMC热沉,随后进入50条微通道中,冲击芯片并向两侧分流,最后汇流于出口区域排出MMC热沉,如图1(c)所示.对MMC热沉进行整体的数值模拟将十分耗费计算资源,因此本文利用该结构的对称性,采用提取单元模型的方法对计算域进行有效简化.如图1(d)所示,单元模型主要由半块翅片和半个微通道组合而成.该长方体区域的4个侧面均为镜像对称面,其体积只占MMC热沉的1/200,将显著降低计算资源消耗.入流的过冷液到达翅片顶端时经过突缩后进入微通道内,随后冲击在通道底部并分为两路,沿着基底流动一段距离后与对向来流汇合,并向上经过突扩结构流出微通道.在液体经过微通道时,流动沸腾同时发生,因此出口处的流体应为气液混合物.更为详细的实物结构示意图可见于文献[14].MMC热沉中过冷流动沸腾冷却的制冷剂为HFE-7100,主要原因在于该工质具有电绝缘性和低沸点(66°C)特性,而且该工质与固体材料接触时基本表现为亲水特性,有利于提升流动沸腾的换热性能.本研究假设工质的物性为常量,详细数据见表1[15,16].为简化模拟过程,做出如下假设:(1)流体与固体均表现为常物性;(2)测试芯片底面加热为均匀热流;(3)装配引起的误差可忽略不计;(4)忽略重力;(5)不考虑接触热阻.
(网络版彩色)0.2 s时热沉温度分布与相分布.
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同肋片结构的印刷电路板换热器传热与阻力特性[J]. 褚雯霄,李雄辉,马挺,曾敏,王秋旺. 科学通报. 2017(16)
[2]微/纳尺度高功率电子器件产热与传热特性[J]. 王博,宣益民,李强. 科学通报. 2012(33)
[3]岐管式微通道冷却热沉的三维数值优化[J]. 夏国栋,刘青,王敏,马晓雁,刘启明,马重芳. 工程热物理学报. 2006(01)
本文编号：3062351
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