金属微通道热沉换热特性仿真与实验研究
发布时间：2021-03-07 19:14
为了解决雷达等高热流密度电子设备的散热问题,通过数值模拟方法,设计了一款高宽比为5,当量直径为166.67μm的金属微通道热沉。基于热边界层中断技术,设计出间断的微通道,提升了热沉的换热性能。利用SU-8胶紫外光刻和微电铸技术制作了微通道热沉底板,再将盖板与底板焊接在一起得到金属微通道热沉。搭建了换热性能测试系统,以去离子水为工质,对微通道热沉进行了实验研究。实验结果表明,当热沉底部热源的热流密度为74.5 W/cm2、工质流量为1.8 L/min时,其底部温度低于40℃,平均换热系数达到67.0 kW/（m2·K）。
【文章来源】：真空与低温. 2020,26(02)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
微通道热沉的三维模型
图1 微通道热沉的三维模型为了研究微通道的高宽比α以及水力直径Dh对热沉散热性能的影响，将微通道热沉的三维模型导入COMSOL Multiphysics软件，对其进行对流换热的仿真研究。仿真过程选取去离子水作为工质，并按照表1设置去离子水的材料属性。微通道热沉入口的工质温度设为Tin=23.6℃，入口的工质流量设为Qv=1 L/mim，出口压力设为大气压力。在热沉底部下表面正对着微通道阵列的区域设置一个16 mm×50 mm的矩形发热区域作为热源，其热流密度设为q=70 W/cm2。
图3为微通道的高宽比α等于5时，不同的宽度下热沉的底部温度与工质压降的变化。通过改变微通道的宽度来改变微通道的水力直径，宽度的变化为50～120μm，对应的水力直径变化为83.33～200μm。由图3可知微通道的水力直径越小，微通道的底部温度越低，散热性能越好，但是工质的压降越大。图4为微通道的宽度等于100μm、高宽比不同时，热沉的底部温度与工质压降的变化。由图4可知，微通道的高宽比越大，工质的压降越小，热沉的底部温度基本上在降低。结合图3与图4可知，当水力直径较小或者高宽比较小时，压降变化的比率大于底部温度变化的比率。工质的压降越大，工质在系统循环的过程中需要消耗泵的功率越大，因此在选择最优的微通道截面尺寸时，需要损失一点换热性能以确保压降不能过大。由图3和图4可知，当工质流量为1 L/min，微通道宽度为90～120μm，高宽比为4～8时，工质的压降小于150 kPa，在可接受范围内。然后从中选择水力直径更小，高宽比更大的矩形微通道。微通道的宽度越小，相同面积的热沉底板上可以制作的微通道数量越多，提供的换热面积也越多，更能实现小空间的高效散热。宽度越小，高宽比越大的微通道结构制作难度越大。考虑到加工的难度，先确定微通道的宽度为100μm，高宽比为5。图4 高宽比不同时底部温度和压降的变化曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]高密集金属微通道散热器成形及封装工艺研究[J]. 赵雯,吕辉,翟科,宋满仓,魏壮壮,姬学超,杜立群. 航空制造技术. 2019(19)
[2]微细通道气液两相流动换热研究进展[J]. 罗新奎,汪洋,王小军,杨祺,张文瑞. 真空与低温. 2016(05)
[3]微尺度高效换热器的热流计算与设计[J]. 丁义锋,汪洋,王小军,杨祺,张文瑞. 真空与低温. 2015(02)
[4]几何尺寸对矩形微通道液体流动和传热性能的影响[J]. 刘赵淼,逄燕,申峰. 机械工程学报. 2012(16)
[5]矩形微通道流动换热特性的数值分析[J]. 刘一兵. 红外技术. 2010(05)
[6]高热流密度电子设备散热技术[J]. 黄大革,杨双根. 流体机械. 2006(09)
本文编号：3069655
【文章来源】：真空与低温. 2020,26(02)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
微通道热沉的三维模型
图1 微通道热沉的三维模型为了研究微通道的高宽比α以及水力直径Dh对热沉散热性能的影响，将微通道热沉的三维模型导入COMSOL Multiphysics软件，对其进行对流换热的仿真研究。仿真过程选取去离子水作为工质，并按照表1设置去离子水的材料属性。微通道热沉入口的工质温度设为Tin=23.6℃，入口的工质流量设为Qv=1 L/mim，出口压力设为大气压力。在热沉底部下表面正对着微通道阵列的区域设置一个16 mm×50 mm的矩形发热区域作为热源，其热流密度设为q=70 W/cm2。
图3为微通道的高宽比α等于5时，不同的宽度下热沉的底部温度与工质压降的变化。通过改变微通道的宽度来改变微通道的水力直径，宽度的变化为50～120μm，对应的水力直径变化为83.33～200μm。由图3可知微通道的水力直径越小，微通道的底部温度越低，散热性能越好，但是工质的压降越大。图4为微通道的宽度等于100μm、高宽比不同时，热沉的底部温度与工质压降的变化。由图4可知，微通道的高宽比越大，工质的压降越小，热沉的底部温度基本上在降低。结合图3与图4可知，当水力直径较小或者高宽比较小时，压降变化的比率大于底部温度变化的比率。工质的压降越大，工质在系统循环的过程中需要消耗泵的功率越大，因此在选择最优的微通道截面尺寸时，需要损失一点换热性能以确保压降不能过大。由图3和图4可知，当工质流量为1 L/min，微通道宽度为90～120μm，高宽比为4～8时，工质的压降小于150 kPa，在可接受范围内。然后从中选择水力直径更小，高宽比更大的矩形微通道。微通道的宽度越小，相同面积的热沉底板上可以制作的微通道数量越多，提供的换热面积也越多，更能实现小空间的高效散热。宽度越小，高宽比越大的微通道结构制作难度越大。考虑到加工的难度，先确定微通道的宽度为100μm，高宽比为5。图4 高宽比不同时底部温度和压降的变化曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]高密集金属微通道散热器成形及封装工艺研究[J]. 赵雯,吕辉,翟科,宋满仓,魏壮壮,姬学超,杜立群. 航空制造技术. 2019(19)
[2]微细通道气液两相流动换热研究进展[J]. 罗新奎,汪洋,王小军,杨祺,张文瑞. 真空与低温. 2016(05)
[3]微尺度高效换热器的热流计算与设计[J]. 丁义锋,汪洋,王小军,杨祺,张文瑞. 真空与低温. 2015(02)
[4]几何尺寸对矩形微通道液体流动和传热性能的影响[J]. 刘赵淼,逄燕,申峰. 机械工程学报. 2012(16)
[5]矩形微通道流动换热特性的数值分析[J]. 刘一兵. 红外技术. 2010(05)
[6]高热流密度电子设备散热技术[J]. 黄大革,杨双根. 流体机械. 2006(09)
本文编号：3069655
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