溢流微通道热沉优化设计

DOI：10．19659/j．issn．1008－5300．2019．01．008

溢流微通道热沉优化设计*

边燕飞，蔡萌，童立超，李石，武胜璇

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）摘要：在微型冷却器装置中采用短微通道比采用长微通道具有更高的热传递效率。为了实现高传热系数，文中设计了内部结构为溢流形式的微通道结构。该研究的目的是确定一个参数集，以便优化微通道器件内部的热分布。文中使用ANSYS软件对溢流形式微通道结构的参数进行了优化分析。实验测量结果与仿真结果吻合良好。

关键词：微通道；热沉；液冷；数值模拟

中图分类号：TK124文献标识码：A文章编号：1008－5300（2019）01－0033－04

Optimization Design of Microchannel Heat Sink with

Overflow Structure

BIAN Yan-fei，CAI Meng，TONG Li-chao，LI Shi，WU Sheng-xuan

（The54thＲesearch Institute of CETC，Shijiazhuang050081，China）Abstract：Implementing short microchannels in a micro cooler device is a way to obtain higher heat transfer efficiency compared to longer microchannel systems．In order to achieve high heat transfer coefficient，a micro-channel with overflow internal structure is designed in this paper．The purpose of this study is to find a set of parameters in order to optimize the heat distribution inside the microchannel devices．Optimization analysis is carried out for the microchannels with overflow structure by ANSYS software．The experimental results are in good agreement with the simulation results．

Key words：microchannel；heat sink；liquid cooling；numerical simulation

引言

微器件的需求增加了对微通道系统的研究活动，尤其是如何使用微通道系统（微表面冷却器）对热表面进行冷却。尽管有关参数优化的研究早在20多年前就已经开始，但以往的研究大多集中在单个微通道或长微通道阵列（翅片型）。其中，文献［1］研究了长宽比为0．333 1、水力直径为13．3 36．7μm的矩形微通道内的水流特性。该研究涵盖了层流和湍流，发现几何参数是传热特性的重要变量。同时该研究报道称较小水力直径的实现会导致更高的传热能力。

文献［2］研究了微通道高度和宽度对各种雷诺数和不同热通量的影响，发现不同的几何构型对微通道中的强化传热有显著影响。为了研究这种关联在预测矩形微通道内单相流动的热行为中的有效性，文献［3］进行了2个不同模型的模拟，其水力直径介于318μm和903μm之间，并将其结果与文献［4］先前获得的实验和模拟结果进行了比较。实验和模拟结果都良好，平均偏差在6．5%以内。因此，传统的计算分析可以充分地预测微通道内的传热行为。

文献［5］基于热传导理论的简单数学模型描述了微通道初始部分在层流条件下传热的重要性。实验结果表明，与标准的直长微通道结构相比，短微通道结构具有更好的传热性能。类似于文献［5］的研究，文献［6］采用了几个横向微通道将流体分成多个独立的区域。通过引入这种微通道设计，使流动始终处于发展区，从而提高了传热效率。

本文对溢流微通道结构进行了研究。通过数值模拟研究了溢流微通道结构参数对微表面冷却器内部热分布的影响。根据计算结果，得到了适于特殊应用场合的优化模型。

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33

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第35卷第1期2019年2月

电子机械工程

Electro－Mechanical Engineering·环境适应性设计·

*收稿日期：2018－09－17

1

数值模拟

1．1

结构参数的选取

本着传热途径中的总热阻要小、均温性要好、流阻

要小及工作过程中可靠性要高的设计思路，选用溢流形式的微通道结构，

如图1所示。由图1可以明显看出，

溢流微通道开在盲槽肋板上，盲槽道与溢流通道都采用矩形形状是考虑到加工的方便。

溢流微通道结构是散热系统的关键结构，直接影响整个系统的散热能力。冷板的换热性能同盲道肋板间的距离、

肋板高度、溢流微通道的长宽高有直接关系。为了得到更好的散热性能和较小的压降，本研究对溢流微通道的几何尺寸进行了参数化研究。溢流微通道结

构如图1所示，

各参数的取值范围如表1所示。盲道肋板的加工采用高速铣，

因高速铣床配备的最小铣刀直径为0．5mm ，

故本研究中盲道肋板间的距离选取为0．5 1．0mm 。直径0．5mm 的铣刀的加工深度可达6mm ，所以本模型中盲道肋板高度的选取范围为0 6mm 。

同理，溢流槽宽度的取值区间为0．5 1．0mm

。

图1溢流微通道结构示意图

表1尺寸参数的选取参数取值区间/mm 肋板

间距高度0．5 1．0

0 6．0溢流槽

长宽高

0 1．00．5 1．00 1．0

1．2

仿真模型的建立

图2为溢流通道的三维模型。本模型中要研究的

微通道尺寸远远大于流体分子的平均自由程，

动量守恒方程和能量守恒方程依然适用，

常用的商用散热仿真软件都是在假设动量守恒方程、

能量守恒方程和质量守恒方程成立的条件下进行仿真运算的，故本模型可以通过商业仿真软件进行仿真。本研究采用ProE

与ANSYS 商业仿真软件相结合的方式进行溢流微通道结构冷板的散热建模仿真，

并做如下假设：流体不可压缩，整个过程为稳态，流体比热容为定值，其他物性参数如粘度、密度等为温度的函数，固体各物理参数为定值。忽略表面张力、体积力和热辐射的作用

。

图2

溢流通道的三维模型

2

结果分析

2．1

肋板间的距离对散热性能的影响

图3为不同肋板间距工况下流固界面处的压力云

图。由图3可知，

随着肋板间距的增大，流固界面处流体内的压力逐渐增大。比较肋板间距与压降之间的关系可以看出，

随着肋板间距的增大，压降逐渐增大。通过比较不同肋板间距工况下流固界面处流体的温度云图可以得出，

随着肋板间距的增大，流固界面处流体的温度差异逐渐增大，

即肋板间距为0．5mm 时冷板的均温性最好

。

图3不同肋板间距工况下流固界面处的压力云图

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43··环境适应性设计·电子机械工程2019年2月