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半导体工业的高速发展在迅速提高电子芯片晶体管密度与运算能力的同时,也导致电子芯片释热强度的大幅增加,这要求芯片冷却装置具有更强的散热能力,才能保证芯片的正常工作。目前,冷却系统换热能力不足[1-4]已经成为集成电路技术进一步发展的主要瓶颈之一。另一方面,电子系统往往空间狭小,要求芯片冷却装置结构紧凑、布置灵活。微通道热沉(MHS)主要由大量微通道组成,增加了换热面积,从而使其具有很强的换热能力,但散热均匀性差且流动阻力大也是其固有缺点[5-6]。
分流式微通道热沉(MMHS)在微通道上增加了分流道结构。文献[7]首次提出MMHS结构,MMHS将微通道内工质由单一进出口的流动改变为多进口和多出口的流动过程,在提高换热能力和换热均匀性的同时,还减少了工质的流动阻力[7-9]。文献[8]通过计算分析发现MMHS微通道入口处换热能力最强,微通道底面受冷却工质冲击处及微通道出口也有很强的强化传热效应。文献[9]认为MMHS的强化换热能力与微通道内较大的速度梯度及产生的流体漩涡有关,同时也指出分流通道向微通道内的分流过程存在流量分配不均现象。已有一些研究者对MMHS与MHS的换热性能做了对比,文献[10-11]分别通过实验对比发现,MMHS总体热阻比MHS低约30%~35%。
近年来关于MMHS的研究多以结构优化及改进为主[12-14],这些措施使MMHS具备了更好的散热能力与散热均匀性。文献[12]通过结构优化引导更多冷却流体分配到MMHS中热负荷较高的区域,同时该区域的微通道尺度更小、数量更多,从而可获得更大换热面积。文献[13]将MMHS的分流道分割成多个相对独立的单元,使冷却流体多次流入、流出这分流通道,提高了冷却流体的换热效率,进一步起到强化换热的作用。文献[14]针对一种具有自相似结构的分流式微通道热沉(self-similarity microchannel heat sink, SSHS),提出了结构改进方案,通过采用渐缩式分流通道结构,解决了SSHS内流量分配和换热不均的问题。
鉴于MMHS在换热方面的优越性和当前研究的不足,本文通过分析MMHS一个单元内的换热过程,分析其传热特点以及MHS之间的差异,为MMHS的设计和开发提供参考。
A Numerical Analysis of the Enhanced Performance in Heat Transfer of a Manifold Micro-Channel Heat Sink
doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2018.06.010
- Received Date: 2017-03-10
- Rev Recd Date: 2017-12-08
- Publish Date: 2018-11-01
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Key words:
- chip cooling /
- heat dissipation uniformity /
- manifold micro-channel heat sink /
- micro-channel heat sink
Abstract: Manifold micro-channel heat sink (MMHS) has a better heat transfer capacity and uniformity compared with the conventional micro-channel heat sink (MHS), showing a great potential in cooling equipments with high heat generation rate like electronic chips.A numerical simulation work was carried out on heat transfer process in a single unit of MHS and MMHS.For the mass flow rate covering 0.57~2.87 kg/h, averaged heat transfer coefficient of the MMHS is enhanced over 100% and the heat dissipation uniformity is increased 52% compared with the MHS.The multiple inlets and outlets in the MMHS contribute a lot to the improvement of heat transfer performance.
Citation: | TANG Wei, SUN Li-cheng, LIU Hong-tao, XIE Guo, TANG Ji-guo, BAO Jing-jing. A Numerical Analysis of the Enhanced Performance in Heat Transfer of a Manifold Micro-Channel Heat Sink[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2018, 47(6): 864-868. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2018.06.010 |