蜂窝层叠微通道热沉系统散热性能实验研讨.pdfVIP

中国工程热物理年会 传热传质学 学术会议论文 编号：093278 蜂窝层叠微通道热沉系统 散热性能实验研究* 刘用鹿，罗小兵，刘 伟 （华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074 ） (Tel: 027E-mail: deerlyl@163.com) 摘要：本文介绍了一种多层蜂窝形微通道热沉的设计与加工方法并对其进行了散热性能实验。基于光 化学刻蚀方法加工的微通道板通过层层叠加的方式，在内部形成了微肋交错扰动的流体通道，有效限 制了热边界层的发展。该设计方法在增加微通道内比表面积的同时，也通过微结构对流体进行扰动从 而达到强化传热目的，改善了基板温度分布均匀性，同时控制了加工成本。实验搭建了一个小型远程 换热封闭系统，系统管路采用内径φ2mm 的316L 不锈钢管，总长2.3 米，对设计的一种两进两出蜂 2 窝形微通道热沉换热测试实验表明，在泵功消耗0.72W 情况下，其有效散热热流密度达到17.7 W/cm ， 基板温度控制在61.4℃，为电子器件散热应用提供了一种良好的系统结构。 关键词：蜂窝形，微通道，层叠，散热 引言 随着微机电系统的广泛应用，各种电子元器件功能模块高度集成化和微型化，如何 对其进行有效的热管理和控制是当今电子设计和封装过程中需要考虑的关键问题之一。 Tuckerman 和Pease[1]于 1981 年提出的微通道散热器的设计思想是电子散热研究领域中 的一个重要里程碑，其设计的一种矩形微通道散热器有效散热达到了 790W/cm2 。受到 此开创性工作的鼓舞，对微通道散热器的研究得到了国内外研究者们的极大关注[2] [3] 。 虽然微通道散热器具有结构紧凑，比表面积大，换热系数高等应用特点，但在强化传热 和提高受热面均温性等方面还是有待提高和优化。当工作流体流过加热的较长平直流道 时，流体吸收热量使得流体温度沿着流动方向会一直升高，同时，由于热边界层的形成 和发展，对流换热系数也会沿着流动方向在减小。对于微通道内的单相流换热情况，减 小和控制热边界层厚度和进一步增加换热比表面积是提高其散热能力的有效途径。 Kishimoto 和 Sasaki[4]设计了一种菱形错列微肋结构来降低基板芯片组工作时不同位置 处的结点温度差异。通过交错排列布置的微肋结构，使得热边界层的充分发展受到限制， 相比较平行直流排列的微肋结构，其分析结果表明使用叉排布置的肋片结构可使基板芯 片组的结点温度差最大可降低25 ％。Kandlikar 和Upadhye[5]也提出了一种错列窄肋结构， 通过将流体进出散热器方式由两端单向进出改为中间流入两端流出方式，在强化传热的 同时减少流体在微通道内的流动距离而有效减阻。X.Q. Wang ，A.S. Mujumdar 和C. Yap[6] 对一种树状结构的矩形微通道热沉进行了数值模拟，结果表明这种流体网络结构相比传 * 国家自然科学基金（No.）资助项目 统的平行直流通道而言，其基板温度分布均匀性和功耗损失得到了改善。陈永平和郑平 [7]通过实验也验证了分形树状微通道散热器具有较高的热有效性。 虽然现代微加工技术的发展使得一些复杂结构的微通道设计变成现实，但由此也带 来了高成本和低可靠性等一系列问题。将多层微通道结构层叠在一起以在有限的封装空 间内形成更大的比表面积和复杂三维立体结构是降低加工难度的一种有效替代方式。 Vafai 和Zhu[8]设计了一个两层叠加的逆流矩形结构微通道热沉模型，计算结果表明该结 构相对单层热沉来说，基板温升和降低功耗方面都得到了明显的改善。X.J. Wei 和 Y. Joshi[9][10]分析了多层微通道结构的散热特性，结果显示在散热能力相同的情况下，多层 微通道结构所需流体流量和功耗相比单层结构而言大大降低。 基于增大微通道散热器比表面积和减小热边界层厚度