微通道設計參數對系統散熱性能的影響分析

周翔宇 劉啟航 潘萍 黃巍

摘要：電子器件高效的換熱問題成為電子設備中迫切需要解決的問題，微通道換熱技術因此成為高熱流密度電子器件散熱的發展方向之一。本文對影響微通道散熱性能的主要設計參數，微通道的形狀幾何尺寸與流道內液體流速對系統散熱性能的影響進行了仿真分析。通過Ansys數值仿真軟件，得到了不同的流道尺寸與流速下，熱源溫升與流體進出口壓差的數值，對比數值結果，分析了設計參數對散熱性能的影響趨勢。結果表明：優化流道幾何尺寸，選取適宜的液體流速，可以讓微通道的散熱性能得到充分發揮。研究結論可為電子設備全系統散熱提供設計依據。

關鍵詞：微通道；散熱性能；數值仿真；影響趨勢

1 引言

高集成度高功率的電子器件要求更高效的換熱技術，微通道換熱技術因其結構緊湊、換熱效率高的特點，成為高熱流密度電子器件散熱的有效解決方式之一。電子產品的微通道換熱技術始于20世紀80年代初，D.B.Tuckerman與R.F.Pease首先提出了微通道換熱技術的構想，并以硅為材料制造出了微通道熱沉，進行了實驗研究。隨著微系統和微設備的發展和應用，微通道內的流動和傳熱問題逐漸成為研究者們關注的方向，國內外研究者們通過理論分析、數值模擬和試驗研究，對矩形截面、梯形截面等不同截面形狀的微通道內的流動特性和傳熱特性進行了研究，通過測量流量、進出口壓力和溫度等參數，分析了流體流過微通道時的摩擦阻力系數、對流換熱過程中的熱流通量和努塞爾數（Nu）。劉趙淼等對不同水力直徑、截面寬高比和通道長度的矩形微通道的流動和傳熱性能進行了數值模擬研究。江樂新等對三組不同水力直徑的矩形微通道內流體的流動特性開展數值模擬研究，獲得水力直徑對流動特性的影響規律。從以上研究中可以看出，矩形微通道以其較好的加工性，較高的穩定性和熱性能，成為研究者們關于微通道幾何參數研究的重要結構形式之一。本文對影響矩形微通道散熱性能的主要設計參數，矩形微通道的幾何尺寸、流道內液體流速對系統散熱性能的影響進行了仿真分析，通過數值仿真軟件，對比數值，分析了設計參數對散熱性能的影響趨勢。

2 基本理論

3 模型建立與仿真計算

3.1 模型參數

微通道散熱系統外表面與空氣接觸，須將外圍計算域調整為空氣屬性，流道內設有微通道，表面設置有兩個供冷卻劑進出的接口，因此需要在流道內部添加液體強迫對流計算域，并分別對空氣與液體進行質量守恒、動量守恒與綜合能量交換的建模設置，仿真模型如圖1所示。

3.2 邊界條件

微通道基座所用熱沉材料的選擇，需考慮原材料的成本、加工難易程度及熱力學性能的影響，常用于制作微通道熱沉的材料有不銹鋼、硅、鋁和銅，這些基座材料的熱物理性參數設置可參考軟件內置的材料庫。Ansys Icepak軟件內置材料庫，可設置金屬材料或半導體材料對應的熱物性參數，如密度（kg/m3）、材料導熱系數（W/m·K）、比熱容（J/kg·K）等，可設置流體工質對應的熱物性參數，如密度，材料導熱系數、比熱容、熱膨脹系數（1/K）、動力黏度（kg/m·s）、運動粘度（m2/s）、摩爾質量（kg/ mol）等。Ansys Icepak中提供了大量的材料數據，這些材料被劃分為金屬材料、非金屬材料和半導體材料等，可以直接調用，或通過Create Material進行材料的創建。定義材料后，可以在分析界面中將仿真模型中不同的體賦予不同的參數。本項目中選取材料庫中Si-Typical作為流道所用的熱沉材料，選擇去離子水Water（320 K）作為流體工質進行計算，材料屬性見表1、表2。

整個系統主要的熱邊界條件是，熱量由發熱芯片傳導至微通道散熱器，微通道內部流體工質在微通道中流動形成強迫對流，從而實現熱量的交換，該過程既有熱傳導也有對流傳熱。

將環境溫度設置為20℃，發熱芯片尺寸設置為5 mm×5 mm×1 mm，熱流密度為600 W/cm2，共計150 W，微通道入口流量為150 mL/min，即2.5 cm3/s，流體進出口直徑為1.3 mm。

在仿真分析軟件中，根據輸入要求設置環境溫度，微通道為層流狀態，迭代步數設置為600，連續性和速度殘差為10-3，能量殘差為10-7，調整松弛因子，設置溫度監測點，多核計算。

3.3 網格獨立性驗證

在對研究對象進行數值模擬前，往往需要對物理模型的網格進行測試和判斷，根據網格形狀、網格單元數量和網格單元質量等進行判斷網格獨立性，以此保證數值仿真結果可信。本項目在網格獨立性的相關判斷時，考慮了流道不同網格控制尺寸對數值仿真結果的影響，表3列出了流道網格加密對本項目研究的關鍵因素的影響數據，從表3可以看出，第三組數據與第四組數據在網格數量增加較大的情況下，最高溫度與壓差（關鍵因素）的變化很小，繼續加密網格對關鍵因素的影響不大，綜合單元質量及關鍵因素的變化率，可以判斷在設置流道網格參數為第三組時，網格具有獨立性，因此，本項目選擇第三組網格數據進行數值仿真計算，網格數據組X—Z截面圖如圖2所示，網格劃分模型圖如圖3所示。

3.4 數值結果分析

通過后處理模塊的仿真計算分析，對計算結果進行提取顯示。重點對芯片切面溫度、進出水口壓差、流道內流場矢量、流體溫度等結果數據進行提取，提取結果如圖4～8所示。

4 設計參數對散熱性能的影響分析

4.1 不同進口流量對溫升的影響

通過仿真分析，得到表4所示的仿真數據，從中可以看出，芯片溫度T隨著流量V的增加而降低，但是下降趨勢逐漸放緩。曲線如圖9所示。

通過仿真分析，得到表5所示的仿真數據，從中可以看出，進出口壓差△P隨著流量V的增加而增大，且增量逐漸變大，上升趨勢越發明顯。V—△P曲線如圖10所示。

4.3 不同散熱齒間距對溫升的影響

通過仿真分析，得到表6所示的仿真數據，從中可以看出，芯片溫度T隨著微通道齒間距D的增加而增大，但是增量逐漸減小，上升趨勢逐漸放緩。D—T曲線如圖11所示。

4.4 不同散熱齒間距對進出口壓差的影響

通過仿真分析，得到表7所示的仿真數據，從中可以看到：進出口壓差隨著微通道齒間距D的增加而降低，且下降趨勢逐漸放緩。

5 結論

在微通道設計參數對系統散熱性能的影響分析中，通過仿真軟件，針對相同物理形式的微通道，在不同進口流量下對熱源芯片溫升、進出口壓差進行了仿真分析，針對相同的進口流量，在不同散熱齒間距下對熱源芯片溫升、進出口壓差進行了仿真分析。優化流道幾何尺寸，選取適宜的液體流速，可以找到溫升與壓差的相對平衡點，讓微通道的散熱性能得到充分發揮，通過比較分析，得到了以下結論。

（1）發熱芯片溫度隨著流量的增加而降低，但是下降趨勢逐漸放緩。

（2）進出口壓差隨著流量的增加而增大，且增量逐漸變大，上升趨勢越發明顯。

（3）發熱芯片溫度隨著微通道齒間距的增加而增大，但是增量逐漸減小，上升趨勢逐漸放緩。

（4）進出口壓差隨著微通道齒間距的增加而降低，且下降趨勢逐漸放緩。

參考文獻

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