微细通道中对流换热的强化

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1概述随着微电子技术的飞速发展，诸如大功率激光器、大功率LED和高性能微处理器等光电芯片不断问世并向微型化和集成化发展，芯片元器件的集成度正逐步趋向极限，由此引发的热障问题使得对高性能冷却技术的需求到了前所未有的层面。根据资料表明，微电子器件的可靠性对温度十分敏感，在70-80℃水平上每增加2℃，[1][2]其可靠性降低10%。国际半导体联盟ITRS在2012年的装配与封装报告材料中提2到，对于当前14nm芯片级的功率密度会超过100W/cm，而高温结点到环境热阻要求小于0.2℃/W。这

2、样高的热流已经超过传统的风冷散热的极限，而制约传统散热的关键问题在于：一方面，器件热流密度特别高；另一方面，传热温差小，通常在几十度范围内。因此微电子器件的冷却变得非常困难。寻求更有效的散热方式已经成为近年来研究热点。[3]表1-1克雷公司超级计算机热管理冷却技术发展图2CoolingTechnologyCrayProductICPower(Area:2.56cm)Aircooling-OpenLoopSV140WattsAircooling-CloseLoopHPAC75WattsConductiontoLiquid-

3、ColdPlateT3E70WattsConductiontoLiquid-TopHatMTA100WattsSingle-PhaseForcedConvectionCray2T9075WattsSingle-PhaseImpingementSSI120WattsSprayEvaporativeCoolingX1200WattsFilmEvaporativeCoolingFuture300Watts(Projected)表1-1是克雷（Cray）公司的科学家在2004年的报告中给出的在过去四十年中[3]对其研究的超级计算

4、机热管理的冷却技术发展图。可以看出冷却技术的发展逐渐由1万方数据华中科技大学硕士学位论文空气冷却变为液体冷却，流动方式从自然对流向强制对流换热转变，为了适应更高热流的发展，液体冷却也开始由单相向多相转变。但是即便技术高速发展，在实用2的技术能承受的热流也仅为几十W/cm。当前针对计算机等芯片发热装置的散热方式大多为强制空气冷却技术，空气冷却系统简单可靠，安全廉价，现在针对计算机，机房等散热设施，空气冷却散热技术已经相当成熟。但是由于空气作为流体热容较小，针对当前的高热流，一般采用提高流速，增大换热面积的方式来提升换热性能

5、。提高流速意味着增加泵功，而且流速过大会产生噪声和振动；增大换热面积通常以使用肋片来实现，但增加肋片意味着增加系统的体积和重量，同时也会增大流阻。这些缺点在热流密度增大，电子器件逐渐向小型化发展的趋势下使得空气冷却已经难以满足当前的散热要求。由于液体的热容远高于空气，因此最近几十年研究的新型冷却技术多以液体作为散热流体工质。而随着机械电子系统逐渐向小型化发展，换热器装置的微型化也成为迫切需求和必然趋势，而且随着技术的发展，在微型换热器系统的设计，装配，制造，封装和测量等发面已经有了长足的进步。在此基础上微通道液体冷却技术

6、在近年来有了很快的发展，尤其是在航空航天等高科技领域。1.2基于结构的微通道冷却发展现状1.2.1常规微通道微通道换热具有优良的换热性能在于其固体骨架的比表面积大，而固体导热性能好，固体骨架与流体的接触面积大，能够将更多的热量传导给流体从而被带走。[4]Tuckerman和Pease在1981年首先提出微通道热沉散热的设计理念，该设计正是基于层流流动换热系数与通道当量尺寸成反比的理论，因此将热沉通道缩小到微小尺寸能显著提高换热效果。同时实验结果表明水作为流体散热工质能显著提高换热效果。在这之后微通道换热基于结构和流体的改

7、变优化，使得微通道换热有了很大的发展。[5]Qu和Mudawar对矩形微细通道进行了三维数值模拟，并对包括温度，换热系2万方数据华中科技大学硕士学位论文数，努赛尔数Nu进行了详细的分析，结果表明，沿流动方向，流体和固体的温度梯度都呈线性变化，最高温度出现在靠近出口的加热面处。最大Nu数出现在入口处。在高Re数时，在给定的通道长度下，有可能不会出现充分发展段。增加固体导热系数能减小底面温度但是对流体的换热特性几乎没有影响。文中还特意提到经典的肋片分析理论中的假设可能会导致结果与实际不相符。[6][7]陈彬彬和徐德好分别从不

8、同的角度定义微通道的占空比，得出微通道换热性能与微通道尺寸有密切关系，都在一定的占空比下得出最优的微通道热沉换热性能。[8]Vafai和Zhu针对传统的微通道热沉出口温度过高的缺点，提出一种新型的双层微通道结构，双层微通道流向相反，研究结果表明，双层微通道结构并不比单层复杂很多，但是热沉底部加热面沿流动方向的温度要比