西安交通大学魏进家团队最新论文 | 微针翼歧管分布式射流微通道的数值与实验研究

科技 2024-12-03 11:46 北京

作者

Yuantong Zhang, Xiaoping Yang, Xinyu Ji, Chengyu Hu, Jinjia Wei

摘要

传统的并行微通道不足以满足新型、大面积和高热通量芯片的热需求。这种不足源于其高流动阻力和较差的温度均匀性。因此，介绍了一种结合歧管入口/出口结构、分布式阵列射流和微针翅片的新型歧管微通道散热器。采用数值模拟和实验方法研究了散热器的流动和传热性能。实验结果表明，当平均热通量密度超过330 W/cm2，总功率为2500 W时，平均芯片温度保持在70°C以下，确保了有效的散热。二次冲击发生在足够低的喷射室高度，导致光滑基板的平均努塞尔特数增加3倍。对于微针翅片表面，研究表明，微针翅片的存在不一定有利于传热增强。微针翅片的临界体积分数（临界翅片比）存在于阻碍效应和增强效应相互平衡的地方。该值受多个参数的影响。最后，提出了一种预测射流冲击平均努塞尔特数的新关系，平均绝对误差小于15%。这一系列研究解决了歧管分布式阵列射流散热器研究中存在的差距，为面向大功率芯片的散热器的设计和优化提供了细致的理论基础。

全文

图1。嵌入式歧管微通道散热器热阻示意图。

图2。MMC（歧管微通道）和分布式阵列射流和微针翅片表面散热器：（a）微针翅片基板和带模具的射流腔区域，（b）流体区域，（c）歧管流道和射流孔板，（d）传热路径图像。

图3。几何结构和网格划分示意图（a）喷射腔和微针翅片尺寸示意图（b和c）ss（光滑表面）的数值模拟区域和网格（d和e）微针翅片表面的数值模拟区和网格。

图4。实验设置（a）流动回路示意图。（b）基板上的微针鳍片图片（c）实验部分。

图7。（a）横截面位置示意图（b）X=0时的局部努塞尔特数（c）X=.0时横截面中的流线分布（q=200 W/cm2，Tin=25℃，D=2 mm，L=4 mm，Re=1188）。

图10。不同喷射孔分布模式下具有光滑表面的基材的局部努塞尔特数（q=200 W/cm2，Tin=25℃，Re=1148）。

图12。（a）不同h/h下X的局部努塞尔特数横截面轮廓为0和0.3（b）光滑表面和销鳍表面的局部努塞尔特数（c）不同h/h时的速度场为0.3 m/s（q=200 W/cm2，Tin=25℃，D=2 mm，L=4 mm）。

结论

基于歧管微通道，提出了一种新型歧管微通道散热器，该散热器将歧管入口和出口结构、分布式射流冲击和微针翅片耦合在一起。结合嵌入式液体冷却，散热器在实验研究中表现出优异的冷却性能。对“通道单元”进行了数值模拟，以研究光滑和微针精细的散热器。考虑到微针翅片结构、歧管结构和分布射流对传热的影响，提出了一种预测射流冲击平均努塞尔特数的新关系。主要结论如下：

1.实验结果表明，当平均热通量密度超过330 W/cm2，总功率为2500 W时，平均芯片温度保持在70°C以下，确保了有效的散热。

2.减小喷射腔高度可以显著增强传热。当空腔高度降低时，会发生二次冲击。二次冲击发生后，摩擦系数显著增加。定义并讨论了翅片比，这是一个无量纲参数，表示微针翅片与喷射腔的相对高度。微针翅片的存在并不总是有利于增强传热。存在一个临界鳍比，其中阻塞效应和增强效应相互抵消。只有当翅片比超过这个临界值时，才能实现传热增强。

3.考虑到微针翅片结构、歧管结构和分布射流对传热的影响，提出了一种预测射流冲击平均努塞尔特数的新关系，平均绝对误差小于15%。

4.以去离子水为工作流体，以“通道单元”为研究对象进行了深入研究，为未来最新芯片的热管理提供了基础。不同工作流体和不同尺寸芯片的温度均匀性值得在未来的工作中关注。

参考文献

Zhang, Y., Yang, X., Ji, X., Hu, C., & Wei, J. (2024). Numerical and experimental study on manifold-distributed jet microchannel with micro-pin-fins. Applied Thermal Engineering, 124675.

来源：实验与模拟

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