微通道设计参数对系统散热性能的影响分析

周翔宇 刘启航 潘萍 黄巍

摘要：电子器件高效的换热问题成为电子设备中迫切需要解决的问题，微通道换热技术因此成为高热流密度电子器件散热的发展方向之一。本文对影响微通道散热性能的主要设计参数，微通道的形状几何尺寸与流道内液体流速对系统散热性能的影响进行了仿真分析。通过Ansys数值仿真软件，得到了不同的流道尺寸与流速下，热源温升与流体进出口压差的数值，对比数值结果，分析了设计参数对散热性能的影响趋势。结果表明：优化流道几何尺寸，选取适宜的液体流速，可以让微通道的散热性能得到充分发挥。研究结论可为电子设备全系统散热提供设计依据。

关键词：微通道；散热性能；数值仿真；影响趋势

1 引言

高集成度高功率的电子器件要求更高效的换热技术，微通道换热技术因其结构紧凑、换热效率高的特點，成为高热流密度电子器件散热的有效解决方式之一。电子产品的微通道换热技术始于20世纪80年代初，D.B.Tuckerman与R.F.Pease首先提出了微通道换热技术的构想，并以硅为材料制造出了微通道热沉，进行了实验研究。随着微系统和微设备的发展和应用，微通道内的流动和传热问题逐渐成为研究者们关注的方向，国内外研究者们通过理论分析、数值模拟和试验研究，对矩形截面、梯形截面等不同截面形状的微通道内的流动特性和传热特性进行了研究，通过测量流量、进出口压力和温度等参数，分析了流体流过微通道时的摩擦阻力系数、对流换热过程中的热流通量和努塞尔数（Nu）。刘赵淼等对不同水力直径、截面宽高比和通道长度的矩形微通道的流动和传热性能进行了数值模拟研究。江乐新等对三组不同水力直径的矩形微通道内流体的流动特性开展数值模拟研究，获得水力直径对流动特性的影响规律。从以上研究中可以看出，矩形微通道以其较好的加工性，较高的稳定性和热性能，成为研究者们关于微通道几何参数研究的重要结构形式之一。本文对影响矩形微通道散热性能的主要设计参数，矩形微通道的几何尺寸、流道内液体流速对系统散热性能的影响进行了仿真分析，通过数值仿真软件，对比数值，分析了设计参数对散热性能的影响趋势。

2 基本理论

3 模型建立与仿真计算

3.1 模型参数

微通道散热系统外表面与空气接触，须将外围计算域调整为空气属性，流道内设有微通道，表面设置有两个供冷却剂进出的接口，因此需要在流道内部添加液体强迫对流计算域，并分别对空气与液体进行质量守恒、动量守恒与综合能量交换的建模设置，仿真模型如图1所示。

3.2 边界条件

微通道基座所用热沉材料的选择，需考虑原材料的成本、加工难易程度及热力学性能的影响，常用于制作微通道热沉的材料有不锈钢、硅、铝和铜，这些基座材料的热物理性参数设置可参考软件内置的材料库。Ansys Icepak软件内置材料库，可设置金属材料或半导体材料对应的热物性参数，如密度（kg/m3）、材料导热系数（W/m·K）、比热容（J/kg·K）等，可设置流体工质对应的热物性参数，如密度，材料导热系数、比热容、热膨胀系数（1/K）、动力黏度（kg/m·s）、运动粘度（m2/s）、摩尔质量（kg/ mol）等。Ansys Icepak中提供了大量的材料数据，这些材料被划分为金属材料、非金属材料和半导体材料等，可以直接调用，或通过Create Material进行材料的创建。定义材料后，可以在分析界面中将仿真模型中不同的体赋予不同的参数。本项目中选取材料库中Si-Typical作为流道所用的热沉材料，选择去离子水Water（320 K）作为流体工质进行计算，材料属性见表1、表2。

整个系统主要的热边界条件是，热量由发热芯片传导至微通道散热器，微通道内部流体工质在微通道中流动形成强迫对流，从而实现热量的交换，该过程既有热传导也有对流传热。

将环境温度设置为20℃，发热芯片尺寸设置为5 mm×5 mm×1 mm，热流密度为600 W/cm2，共计150 W，微通道入口流量为150 mL/min，即2.5 cm3/s，流体进出口直径为1.3 mm。

在仿真分析软件中，根据输入要求设置环境温度，微通道为层流状态，迭代步数设置为600，连续性和速度残差为10-3，能量残差为10-7，调整松弛因子，设置温度监测点，多核计算。

3.3 网格独立性验证

在对研究对象进行数值模拟前，往往需要对物理模型的网格进行测试和判断，根据网格形状、网格单元数量和网格单元质量等进行判断网格独立性，以此保证数值仿真结果可信。本项目在网格独立性的相关判断时，考虑了流道不同网格控制尺寸对数值仿真结果的影响，表3列出了流道网格加密对本项目研究的关键因素的影响数据，从表3可以看出，第三组数据与第四组数据在网格数量增加较大的情况下，最高温度与压差（关键因素）的变化很小，继续加密网格对关键因素的影响不大，综合单元质量及关键因素的变化率，可以判断在设置流道网格参数为第三组时，网格具有独立性，因此，本项目选择第三组网格数据进行数值仿真计算，网格数据组X—Z截面图如图2所示，网格划分模型图如图3所示。

3.4 数值结果分析

通过后处理模块的仿真计算分析，对计算结果进行提取显示。重点对芯片切面温度、进出水口压差、流道内流场矢量、流体温度等结果数据进行提取，提取结果如图4～8所示。

4 设计参数对散热性能的影响分析

4.1 不同进口流量对温升的影响

通过仿真分析，得到表4所示的仿真数据，从中可以看出，芯片温度T随着流量V的增加而降低，但是下降趋势逐渐放缓。曲线如图9所示。

通过仿真分析，得到表5所示的仿真数据，从中可以看出，进出口压差△P随着流量V的增加而增大，且增量逐渐变大，上升趋势越发明显。V—△P曲线如图10所示。

4.3 不同散热齿间距对温升的影响

通过仿真分析，得到表6所示的仿真数据，从中可以看出，芯片温度T随着微通道齿间距D的增加而增大，但是增量逐渐减小，上升趋势逐渐放缓。D—T曲线如图11所示。

4.4 不同散热齿间距对进出口压差的影响

通过仿真分析，得到表7所示的仿真数据，从中可以看到：进出口压差随着微通道齿间距D的增加而降低，且下降趋势逐渐放缓。

5 结论

在微通道设计参数对系统散热性能的影响分析中，通过仿真软件，针对相同物理形式的微通道，在不同进口流量下对热源芯片温升、进出口压差进行了仿真分析，针对相同的进口流量，在不同散熱齿间距下对热源芯片温升、进出口压差进行了仿真分析。优化流道几何尺寸，选取适宜的液体流速，可以找到温升与压差的相对平衡点，让微通道的散热性能得到充分发挥，通过比较分析，得到了以下结论。

（1）发热芯片温度随着流量的增加而降低，但是下降趋势逐渐放缓。

（2）进出口压差随着流量的增加而增大，且增量逐渐变大，上升趋势越发明显。

（3）发热芯片温度随着微通道齿间距的增加而增大，但是增量逐渐减小，上升趋势逐渐放缓。

（4）进出口压差随着微通道齿间距的增加而降低，且下降趋势逐渐放缓。

参考文献

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