微型换热器传热分析.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：103230 微型换热器传热分析 钱中，袁益超 （上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093 ） （电话e-mail ：qian_zhong78@ ） 摘要：以用于芯片冷却的微型换热器为研究对象，建立三维仿真模型，分析其稳态工况下的传热情况，获 得了换热器温度、温度梯度和热应力分布。并比较了纯铜、铝、氮化硅三种材质对换热器的性能，结果表 明，铜质性能最好，氮氧化硅最差，铝质居中。中低热负荷下三种换热器都能较好的完成冷却任务，但随 着芯片发热量的增加，铜换热器优势显现，更具应用前景。 关键词：微型换热器；传热分析；温度场；热应力 0.前 言 如今，电子设备的计算能力不断增强、芯片主频不断提高、电子线路板的密度越来越大， 工作时产生的热量也越来越多，必须及时这些热量才能保证系统长期稳定运行，而传统换热 器显然无法胜任这一任务。微型换热器凭借其体积小、传热系数高、单位体积换热面积大等 特点，在微电子、航空航天等对换热设备尺寸、重量有特殊要求的场合中引起了极大的研究 兴趣。围绕如何设计出结构紧凑、轻巧、高效的微型换热器，国内外学者进行了广泛的研究 [1~7] 。近年来国内开始了对微通道传热问题进行研究，如清华大学姜培学等对微槽式换热器 和烧结网丝多孔式微型换热器的传热与流动性能进行了实验研究，并对几种微型换热器的综 合性能进行了评价[1] [2] [3] [4] 。上海交通大学 、中科院 、西安电子科技大学 等单位也对进行了 一些相关研究。但与国外相比，国内研究起步相对较晚，还处于不断发展中，采用以实验研 究为主的研究手段。 针对槽式微型换热器，建立三维模型，运用有限元软件ANSYS 进行换热器工作状态下 的传热仿真，得到相应的温度场和应力场分布。通过分析换热器稳态工况下的最高温度、最 大温度梯度及最大热应力，比较纯铜（Cu ）、铝 （Al ）和氮化硅（SiN ）三种材质换热器的 x 性能。本文工作对于开发出高性能微型换热器具有一定参考价值。 1. 数值模型 1.1 物理模型 槽式微型换热器三维物理模型如图 1 所示。相关尺寸参数见表1。 表1 微型换热器结构参数 L / mm W / mm H / mm W/ mm W / mm δ/ mm δ/ mm ch ch ch f 1 2 6 0.4 2 6 0.3 0.5 0.5 基金项目：上海市优秀青年教师科研专项基金资助项目（slg09001 ）。 1.2 传热模型 换热器的满足导热方程，且满足图2 给出的边界条件，即：1）通道内部表面为对流换 热边界；2 ）换热器与芯片接触面，视为定热流；3 ）其他边界作为绝热处理。 Outlet W MHT Electric chip δ1