藕狀多孔銅微通道熱沉的散熱性能優(yōu)化研究

吳 健　劉 源　李言祥　張華偉

(清華大學(xué)材料學(xué)院 先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100084)

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藕狀多孔銅微通道熱沉的散熱性能優(yōu)化研究

吳 健劉 源李言祥張華偉

(清華大學(xué)材料學(xué)院 先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100084)

藕狀多孔銅是一種具有長直圓孔的新型微通道結(jié)構(gòu)，可用于對大功率電子器件進(jìn)行散熱。通過實(shí)驗(yàn)和FlowSimulation數(shù)值計(jì)算系統(tǒng)地研究了以水為工質(zhì)，具有均勻微槽道結(jié)構(gòu)的多孔銅熱沉的散熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該熱沉具有很高的換熱系數(shù)，在110 mL/s流量下，換熱系數(shù)可達(dá)10.1 W/(cm2K)。模擬結(jié)果表明存在最佳的微槽道數(shù)和微槽道方向使得多孔銅熱沉的散熱性能最優(yōu)。以水為工質(zhì)時(shí)，最佳槽道數(shù)和微槽道方向分別為7～11和45°。隨著微槽道寬度減小，熱沉散熱性能提高，對比了數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析了其存在差異的原因。

微通道；切槽強(qiáng)化；多孔銅；水冷

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備集成度不斷提高，在性能提高的同時(shí)，其功率也隨之增大，而同時(shí)冷卻空間卻不斷減小。散熱問題逐漸成為了阻礙電子器件進(jìn)一步發(fā)展的因素之一[1]。

傳統(tǒng)的風(fēng)冷由于其所需空間大，噪音大，散熱能力較低等缺點(diǎn)[2]，已不能滿足大功率、高集成度芯片的散熱需求。1981年，Tukerman D B等[3]首先提出了微通道熱沉的概念，他們利用化學(xué)蝕刻的方法，在硅片上蝕刻出微槽道進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)，可以得到10 W/(cm2·K)的換熱系數(shù)。微通道熱沉的高散熱效率引起了廣泛的重視，大量學(xué)者開展了對微通道散熱性能研究，相關(guān)研究[4-6]表明，微通道熱沉的散熱性能受熱沉結(jié)構(gòu)、材料以及表面粗糙度等因素的影響。然而由于制備微通道的工藝復(fù)雜、成本昂貴，目前微通道技術(shù)一直沒有得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用[7]。

利用定向凝固制備的藕狀多孔銅具有孔徑較小、孔壁光滑、孔長較大等特點(diǎn)[8]，且制作成本較低，同時(shí)孔徑、孔隙率和孔徑在一定程度上可控[9-11]，非常適合用來制作具有長直圓孔的微通道熱沉。近年來，國內(nèi)外學(xué)者已對多孔銅熱沉進(jìn)行了研究，Ogushi T等[12-13]利用藕狀多孔銅制備了沿孔長方向2～3 mm的微通道熱沉，其換熱系數(shù)可達(dá)8 W/(cm2·K)。多孔銅熱沉的散熱性能受外部因素如進(jìn)出口壓差、工質(zhì)流速等和內(nèi)部因素如孔隙率、孔徑等的影響，其中內(nèi)部因素起決定性作用。對于水為工質(zhì)，當(dāng)孔隙率為50%、平均孔徑為100～200 μm時(shí)，多孔銅熱沉散熱性能最優(yōu)[14]；對于液態(tài)金屬為工質(zhì)，當(dāng)孔隙率為50%、平均孔徑為700～800 μm時(shí)，多孔銅熱沉散熱性能最優(yōu)[15]。由于實(shí)際的多孔銅存在不通孔，多孔銅熱沉長度越大，通孔率越低，因此在多孔銅用作熱沉?xí)r，可對其進(jìn)行合適分段，以增強(qiáng)熱沉的散熱性能，當(dāng)熱沉沿孔長方向長度為20 mm，4段式分段可使通孔比例達(dá)到80%以上，是比較合適的分段方式[16]。

將微槽道散熱方式與藕狀多孔微通道相結(jié)合，在藕狀多孔銅熱沉上加工出一定數(shù)量、寬度和方向的微槽道，有望使多孔銅熱沉散熱性能進(jìn)一步提升。同時(shí)，微槽道還可以提高多孔銅熱沉的通孔率，使其更利于散熱進(jìn)行。基于此，利用FlowSimulation仿真軟件對具有均勻分布微槽道結(jié)構(gòu)的微通道熱沉進(jìn)行模擬，對微槽道寬度、槽道數(shù)以及微槽道方向進(jìn)行優(yōu)化；并制備出相應(yīng)的藕狀多孔銅微通道熱沉，在實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行散熱測試；將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果對比，分析了兩者存在差異的原因。

1 多孔銅熱沉模擬仿真

1.1 仿真模型

使用Solidworks 3D內(nèi)的一款CFD分析軟件Flow Simulation進(jìn)行模擬計(jì)算。如圖1所示，孔銅熱沉為理想多孔銅結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為孔徑d=0.4 mm，孔隙率e=40%，熱沉高度H=5 mm，熱沉長度L=20 mm，熱沉寬度W=30 mm，銅蓋板厚度t=1 mm。考慮實(shí)際多孔銅中存在部分不通孔的情況，在模型中采用堵塞的孔作為實(shí)際中的不通孔。對熱沉單元進(jìn)行切槽，微槽道數(shù)量為n，寬度為w，微槽道與熱沉橫截面的夾角為α。

對包含藕狀多孔銅微通道熱沉的冷頭進(jìn)行1∶1建模，如圖2所示，采用水為工質(zhì)，邊界條件如下：

1) 熱源：體熱源Q=600 W；

2) 入口：體積流量V=75 mL/s；

3) 出口：壓力開口(環(huán)境壓力)；

4) 初始溫度：液體與固體均為300 K；

5) 流動(dòng)方式：層流與湍流。

多孔銅熱沉的等效換熱系數(shù)h由如下公式給出：

(1)

(2)

ΔT=Tmax-Tin

(3)

式中：Q為加熱功率，W；A為銅蓋板面積，cm2；Tmax為銅蓋板表面最高溫度，K；Tin為入口流體溫度，K。

圖2 模擬仿真計(jì)算模型Fig.2 The model of numerical simulation

1.2 仿真結(jié)果

利用FlowSimulation進(jìn)行模擬仿真，其模擬結(jié)果如圖3所示，可以看出，熱沉最高溫度出現(xiàn)在銅蓋板上表面流體出口附近。

圖3 模擬仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of porous copper heat sink

當(dāng)α=90°，即微槽道方向與沿多孔銅孔長方向一致時(shí)，得到不同槽寬及槽道數(shù)的熱沉換熱系數(shù)，從圖4(a)可以看出，隨著槽道數(shù)的增加，熱沉的換熱系數(shù)不斷增大，達(dá)到最大值后，隨著槽道數(shù)增加，熱沉的換熱系數(shù)反而減小，即在微槽道寬度一定時(shí)，存在最佳的槽道數(shù)使得熱沉散熱性能最優(yōu)。且最佳槽道數(shù)隨槽寬的變化而變化。從圖4(b)可以看出在切槽數(shù)一定時(shí)，隨著切槽寬度的增加，熱沉散熱性能逐漸下降，W=0.1 mm時(shí)，熱沉的換熱系數(shù)最高。

圖4 熱沉換熱系數(shù)隨切槽數(shù)的變化切槽模擬仿真結(jié)果(d=0.4 mm, e=40%, t=1 mm, V=75 mL/s)Fig.4 Heat transfer coefficient of porous copper heat sink with different number and width of micro-groove

固定槽道數(shù)n，槽寬w，利用FlowSimulation得到熱沉換熱系數(shù)隨微槽道方向α的變化規(guī)律，其模擬結(jié)果如圖5所示。可以看出，隨著α的減小，熱沉的換熱系數(shù)不斷增大，當(dāng)α=45°時(shí)達(dá)到最大值；隨后，隨著α的減小，熱沉的換熱系數(shù)不斷減小。

圖5 熱沉換熱系數(shù)隨微槽道方向的變化(n=11, w=0.3 mm)Fig.5 Heat transfer coefficient of porous copper heat sink with different angle of micro-groove

由于多孔銅熱沉中的微槽道提高了多孔銅的通孔率，增加了工質(zhì)與基體材料的對流換熱面積，使得微槽道可以提高熱沉的散熱性能，而過多的槽道會使得多孔銅熱沉孔內(nèi)的對流換熱減弱，影響其散熱性能，因此微槽道數(shù)存在一個(gè)最佳值，使得多孔銅熱沉散熱性能最優(yōu)。而槽寬越小，微槽道對多孔銅的孔內(nèi)對流換熱影響越小，因此，隨著微槽道寬度減小，熱沉散熱性能增加。當(dāng)微槽道與沿孔長方向呈一定角度時(shí)，微槽道將進(jìn)一步增加工質(zhì)與基體材料的對流換熱面積，然而α太小，工質(zhì)在微槽道中的流動(dòng)動(dòng)力較小，在微槽道中流動(dòng)速度下降，使得多孔銅熱沉散熱性能下降，因此α存在一個(gè)最佳值，使得多孔銅熱沉散熱性能最優(yōu)。

但是由于受實(shí)際中切槽的加工工藝影響，槽寬越小，加工難度越大，所需的成本也越高。綜合考慮熱沉性能及加工成本，使用線切割加工的方法制備具有微槽道的多孔銅熱沉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，加工的最小寬度為0.3 mm。

2 多孔銅縱向切槽實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)臺如圖6所示，實(shí)驗(yàn)采用隔膜泵驅(qū)動(dòng)工質(zhì)，通過調(diào)節(jié)隔膜泵電機(jī)的電壓來控制工質(zhì)流量，進(jìn)出口壓差由分布在進(jìn)出口兩處的壓力傳感器測定，流量通過流量計(jì)直接測定。采用定制高熱流加熱體對熱沉進(jìn)行加熱，使用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源控制加熱功率。熱沉與加熱體通過涂抹的導(dǎo)熱硅脂緊密貼合。在進(jìn)出口及熱沉表面布置了K型熱電偶檢測溫度，測溫精度為±0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)中的溫度、加熱電壓與電流和進(jìn)出口壓差通過數(shù)據(jù)采集器記錄，并在計(jì)算機(jī)中顯示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺示意圖Fig.6 Experimental devices for the heat transfer performance of porous copper heat sink

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱平衡后，通過測得流體入口溫度Tin，熱沉表面最高溫度Tw，加熱體加熱功率Q，由式(1)、式(2)和式(3)得到熱沉的換熱系數(shù)：

(4)

式中：A為加熱體面積，cm2。

實(shí)驗(yàn)誤差主要由溫度測量誤差及熱流輸入誤差組成。熱流輸入由測量的加熱電壓、電流引起，誤差值為8.38%；溫度測量誤差由傳感器測量精度引起，誤差值為3.12%。經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)所得的換熱系數(shù)最終誤差為8.89%。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)方法，研究了槽道數(shù)熱沉散熱性能的影響規(guī)律。選取3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相近的多孔銅熱沉試樣，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，熱沉尺寸為20 mm×30 mm×5mm。使用線切割分別對其加工出不同數(shù)量的槽道，槽道寬度w=0.3 mm，如圖7所示。為保證槽道均勻分布在多孔銅橫截面上，試樣1的切槽數(shù)分別為3、7、15，試樣2的切槽數(shù)分別為4、9、19，試樣3的切槽數(shù)分別為5、11。由于切槽數(shù)大于20后容易破壞多孔銅結(jié)構(gòu)，因此不做進(jìn)一步的加工。

表1 熱沉試樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 多孔銅熱沉Fig.7 Porous copper heat sink

在實(shí)驗(yàn)臺上測試其散熱性能，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 熱沉換熱系數(shù)隨流量的變化(加熱功率Q=160 W)Fig.8 Heat transfer coefficient of porous copper heat sink with different volume flow

從圖8(a)可以看出，對于試樣1，隨著流量的增大，熱沉散熱性能提高。隨著切槽數(shù)量的增加，熱沉散熱性能先提高，然后下降。在n=7，熱沉散熱性能最優(yōu)，當(dāng)體積流量V=110 mL/s時(shí)，熱沉換熱系數(shù)可達(dá)到10.1 W/(cm2·K)。對于試樣2和試樣3也滿足相似的規(guī)律。結(jié)合試樣1、2、3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的最佳微槽道數(shù)在7～11之間，這與模擬仿真得到的結(jié)果基本吻合。

圖9所示為一款微槽道散熱器，槽寬為170 μm，肋片厚度為200 μm，在實(shí)驗(yàn)臺上對其進(jìn)行散熱測試，將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與試樣3進(jìn)行對比，如圖10所示。可以看出，未進(jìn)行切槽優(yōu)化時(shí)，微槽道熱沉的散熱性能優(yōu)于多孔銅熱沉；而當(dāng)多孔銅熱沉切槽優(yōu)化后，且微槽道數(shù)n=11時(shí)，多孔銅熱沉的散熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于微槽道熱沉。

圖9 微槽道散熱器Fig.9 Micro-groove heat sink

圖10 微槽道散熱器與多孔銅熱沉換熱系數(shù)隨流量的變化Fig.10 Heat transfer coefficient of porous copper heat sink and micro-groove heat sink with different volume flow

3 實(shí)驗(yàn)與模擬仿真結(jié)果對比

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比Fig.11 Comparison of experimental results and simulation results

采用上述的模擬仿真方法，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1試樣3的計(jì)算模型，切槽數(shù)n=11，槽寬w=0.3 mm，計(jì)算得到不同流量下的多孔銅熱沉換熱系數(shù)，并將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，如圖11所示。可以看出，隨著流量增加，熱沉換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與模擬值均增加；在相同流量下，多孔銅熱沉未切槽時(shí)，其換熱系數(shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好；切槽后，多孔銅熱沉換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值要高于模擬值。這種誤差主要來源于在實(shí)際多孔銅中，流體流動(dòng)受到擾動(dòng)而產(chǎn)生的湍流。

實(shí)際的多孔銅中存在著氣孔的合并與中斷，如圖12所示。當(dāng)流體在多孔中流動(dòng)時(shí)，存在形狀不規(guī)則的點(diǎn)使得流體流動(dòng)受到擾動(dòng)，使其從層流逐漸向湍流轉(zhuǎn)變，而湍流相對于層流更容易進(jìn)行對流換熱。對多孔銅進(jìn)行縱向切槽后，少量的不通孔變?yōu)榱送祝沟脽岢辽嵝阅芴岣撸c此同時(shí)，切槽破壞了原來流體規(guī)則的流動(dòng)通道，使得擾動(dòng)點(diǎn)增加，湍流強(qiáng)度大大增加，對流換熱增加，熱沉整體上散熱性能提高，從而使得熱沉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于其模擬仿真結(jié)果。

圖12 流體在實(shí)際多孔銅中的流動(dòng)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the fluid-flow in the actual porous copper

4 結(jié)論

對藕狀多孔銅制備的微通道熱沉進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)與普通微槽道散熱器的散熱效果進(jìn)行了對比，經(jīng)過分析總結(jié)得出：

1)微槽道結(jié)構(gòu)提高了熱沉散熱性能；切槽后的多孔銅熱沉散熱性能既高于未切槽的多孔銅熱沉，又高于普通微槽道熱沉。

2)通過模擬仿真對微槽道尺寸進(jìn)行了優(yōu)化：隨著微槽道寬度減小，熱沉散熱性能提高；微槽道寬度一定時(shí)，存在最佳的槽道數(shù)，使得熱沉散熱性能最優(yōu)；微槽道與沿孔長方向呈45°時(shí)，熱沉散熱性能最優(yōu)。

3)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，未切微槽道時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合；切槽后，由于切槽增加了流體擾動(dòng)，湍流強(qiáng)度增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果略高于模擬結(jié)果。整體上，可以用模擬仿真方法對不同參數(shù)的多孔銅熱沉散熱性能進(jìn)行預(yù)測。

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About the corresponding author

Wu Jian, male, master degree, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, +86 10-62773268, E-mail: jian-wu12@mails.tsinghua.edu.cn. Research fields: lotus-type porous metal (especially lotus-type porous copper), cooling system with lotus-type porous copper.

Study on Heat Transfer Enhancement of Lotus-type Porous Copper Heat Sink

Wu JianLiu YuanLi YanxiangZhang Huawei

(Key Laboratory of Ministry of Education for Advanced Materials Processing Technology, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)

Lotus-type porous copper is a new kind of micro-channel structure with long cylindrical pores aligned in one direction. It can be used as a heat sink for cooling of high-power electronic components. Through experiments and numerical simulations with Flow Simulation, the heat transfer performance of a lotus-type porous copper heat sink with uniform distributed micro-groove was systematically studied. The experimental results showed that this kind of heat sink has an excellent heat transfer coefficient, as high as 10.1 W/(cm2·K), only under a flow rate as low as 110 mL/s. The simulation showed that optimal number and angle of micro-groove existed for the heat sink to reach a maximal equivalent heat transfer coefficient. For water as its coolant, the optimal number and angle of micro-groove were 7-11 and 45°, respectively. And heat transfer performance of the heat sink continuously improved with decreasing of the width of micro-groove. The numerical simulation results were compared with the experimental results, and the reasons for the differences were analyzed.

micro-channel; heat transfer enhancement; lotus-type porous copper； water cooling

0253- 4339(2016) 03- 0094- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.094

2015年7月6日

TB657.5； TK124

A

簡介

吳健，男，碩士，清華大學(xué)材料學(xué)院，(010)62773268，E-mail: jian-wu12@mails.tsinghua.edu.cn。研究方向：藕狀多孔金屬研究與制備(尤其是藕狀多孔銅的制備)，使用藕狀多孔銅進(jìn)行散熱系統(tǒng)方面的研究。