王硕林和陈鏐漪同学在《Journal of Thermal Analysis and Calorimetry》发表论文

设计 性能 通道 冷却 热沉 多孔 提高 论文 热阻 双层
芯知汇    2022-02-23    17

在微型电子设备散热需求迅速增加的背景下,微通道热沉作为一种高效散热装置吸引了广泛的关注,大量研究致力于进一步提高热沉的冷却性能。然而多数研究显示,作为冷却收益的换热性能和作为冷却成本的泵功消耗往往无法兼顾,一方面的优化常以另一方面的恶化为代价,如复杂流道的设计在提高换热性能的同时,往往增加了泵功消耗。这一矛盾成为限制热沉冷却性能提高的一个重要因素。因此急切需要一种新的思路来同时实现两者的优化。

基于上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王硕林同学作为第一作者,陈鏐漪同学作为第二作者,张本熙同学作为第三作者,杨燕茹老师作为第四作者,王晓东教授作为通讯作者,在化学领域国际期刊Journal of Thermal Analysis andCalorimetry上发表题目为“A new design of double-layeredmicrochannel heat sinks with wavymicrochannels and porous-ribs”的论文。该项工作提出“把双层波浪形通道热沉结构与多孔肋相结合”的改进设计,以期能结合波浪形通道提高换热性能和多孔肋降低泵功消耗的优势,综合提高热沉的冷却性能。


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【论文概述】

论文提出了“结合双层波浪形通道热沉结构与多孔肋”的微通道热沉改进设计。新设计由上下两层相同的波浪形微通道组成,用多孔肋片代替通道两侧传统的实心肋片,冷却剂在双层通道中反向流动。为探究新设计的冷却性能,论文用商业计算流体软件构建三维流固耦合模型,对新设计与现有的三种设计(双层实心肋直通道、双层多孔肋直通道、双层实心肋波通道)的流动和传热特性进行数值模拟。在相同泵功条件下对比分析后发现,综合而言新设计对比其余三种设计具有明显的优势。此外,论文还通过单参数分析探究了四个参数(通道波长λ、振幅A、渗透率kp、二次阻力系数CF)对热沉冷却效果的影响。

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(图为文中四种微通道热沉设计结构示意图)


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(图中结果显示,在相同泵功下比较时,新设计均有最低或较低的热阻,综合而言其性能有明显优势)


论文主要得出了以下结论:(1)新设计在整个泵功范围内表现出最佳的冷却性能。在0.005 W≤Ω≤0.01 W的低泵功范围内,冷却剂进口速度限制了热沉冷却性能的提高,因此多孔肋的减阻作用使得两种包含多孔肋片的设计有更低的热阻;在0.1 W≤Ω≤0.2 W的高泵功范围内,冷却剂流速较大,强化换热更能有效提高热沉的冷却性能,而波浪形通道增强了冷却剂的混合,使两种波通道的设计拥有更低的热阻。而泵功适中时,两者优势都有较好的发挥,使得新设计具备最佳的冷却性能。因此综合而言,新设计在较大范围内有同时提高换热性能和降低泵功消耗的作用,有良好的应用前景。(2)在0.05W泵功的约束条件下,为获得更低的热阻,新设计存在最佳波长和最佳振幅。而渗透率和二次阻力系数对热阻有单调的影响,增大多孔肋的渗透率或减小其二次阻力系数都可有效降低热阻。

论文得到了国家自然科学基金重点项目(51936004),国家杰出青年科学基金(51525602),国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51821004),和中央高校基本科研业务费专项资金(2017ZZD006)的资助。



撰稿人:陈镠漪

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