技術流 | DfAM底層通用技術之微通道散熱設計

安世亞太

2021年7月22日 14:21

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技術流 | DfAM底層通用技術之微通道散熱設計的圖1

微通道換熱器，指的是水力直徑在10-1000μm的換熱器。按外形尺寸可分為：微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。該技術所采用的結構緊湊、換熱效率高、質量輕、運行安全可靠，因此微通道換熱器技術近些年來越來越受到關注，在微電子、航空航天、醫療、化學生物工程、材料科學、高溫超導體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強激光鏡的冷卻, 以及其他一些對換熱設備的尺寸和重量有特殊要求的場合中有重要的應用前景。

與普通換熱器相比, 微型換熱器的主要特點在 于單位體積內的換熱面積很大 。相應地, 其單位體積傳熱系數 高達幾十到幾百MW/( m 3 K) , 比普通換熱器要 高1～2個數量級 。

圖1 微通道換熱器的應用

本文主要基于Ansys軟件對不同微通道換熱器的性能進行了相應的分析。

研究內容

仿生設計微通道散熱對比分析

仿生設計借鑒自然界中具有優良特性的網絡拓撲，是在進行微通道設計時采用的主流方法之一，目的是提升高熱流密度芯片的散熱能力。本報告通過仿真計算對微通道結構進行優化設計和對比分析，對比相同仿真參數下微通道溫度分布的不同。

圖2 仿真參數設置

根據 散熱器的工作換熱面積不小于熱源器件換熱面積的原則 ，散熱器整體尺寸可以任意調整，為了方便對比，選取相同尺寸25mm*25mm*0.8mm。

圖3 仿蜘蛛網微通道

圖4 仿旋渦微通道

圖5 雪花微通道

圖6 仿真結果對比

與傳統的微通道散熱器相比較，上述設計首先通過均衡的微通道截面面積設計保證了工作流體的整體穩定流動模式。但是通道的截面形狀和分合設計多次變化；其次設計了特殊的連通通道組，以方便設計較小的橫截面面積和連通通道長，保證流體在通道內部快速流動，及時輸運熱量，實現短程均勻散熱，使其內部的工作流體散熱成為散熱器散熱的核心過程，同時也避免了與之連接的縱向微通道內工作流體單一流向產生沿流動方向溫度梯度的問題，一方面調整沿縱向分通道不同位置的連接通道橫截面面積大小，補償了進入連通通道工作流體的流速損失，使各連通通道內工作流體單位時間的流量相當，從而保證不同連通通道散熱能力的均衡。

研究內容

變密度拓撲優化微通道設計

拓撲優化是根據桁架理論的提出而開始研究的，在國內外學者的共同努力下，桁架理論不斷完善，離散結構拓撲優化也相繼得到了極大的豐富，散熱拓撲優化就是從結構拓撲優化的研究成果基礎上發展而生一種拓撲優化設計方法。基于密度的拓撲優化方法，設計變量通過有限元網格離散，每個單元分配一個唯一的設計變量。

圖7 兩種設計域進行拓撲優化

圖8壓力下降50Pa的速度和溫度云圖

圖9壓力下降10Pa的速度和溫度云圖

圖10壓力下降200Pa的速度和溫度云圖

圖11三種工況下最終的拓撲優化結果

上例主要是基于 不同的壓降 進行不同工況下的散熱拓撲優化，其中散熱器的傳熱性能可以通過其熱阻來測量。

由于拓撲優化的復雜性，只有少量的問題可以用解析的方法人工進行求解。為了滿足工程中的復雜要求，需要借助計算機用數值方法求解拓撲優化問題。因此解決拓撲優化的挑戰首先在于如何在計算機中用離散模型描述拓撲；其次是如何建立一個可供計算機求解的優化模型。隨著計算機運算速度和存儲能力的提高以及有限元等分析工具的成熟，采用計算機求解拓撲優化求解拓撲優化問題逐漸會發展成求解散熱問題的熱門領域。