微通道冷卻的案例
『轉貼』新型微通道自然循環電子冷卻器
新型微通道自然循環電子冷卻器
中科院廣州能源研究研究所徐進良研究員領導的團隊勇于探索，攻關4年，于近期成功研制微通道自然循環電子冷卻器并在高端計算機上運行。此項成果通過廣州市科技局組織的專家鑒定，鑒定意見認為達到國際先進水平，可廣泛應用于信息、空間、軍事等領域，建議進一步推廣使用，以造福社會。
徐進良團隊幾年前就開始這項研究，并在去年承擔廣州市科技攻關項目“新型微通道自然循環電子冷卻器及產業化”，針對目前在信息、空間、軍事技術等領域中廣泛存在的電子設備高集成度、高熱流密度及溫度失效率大幅度上升等問題，經過多次分析，試驗等，提出并實現了微通道自然循環冷卻器的原理及樣機研制。
樣機由內含微通道的金屬底坐和兩根金屬導管及一個圓形冷凝器和散熱片組成(見圖所示)。所研制的樣機，經廣州市能源監督所檢測，冷卻熱功率達300W，熱流密度達33W/cm2。這兩項指標分別為目前高端計算機熱功率及熱流密度的三倍，可采用風散低轉速或完全無風自然循環運行，大大降低了噪音，并提高了可靠性。另外，該原理可根據不同用戶需要，進行不同的機構尺寸設計，應用范圍廣。
據介紹，該冷卻器中采用了三項關鍵技術：(1)微通道用于強化傳熱，以解決芯片的高熱流密度問題，(2)自然循環原理解決了冷卻器回路的壓力驅動問題，完全實現了無泵運行，(3)微型冷凝器與太陽花散熱器之間采用過盈配合，可避免異質金屬之間的焊接，并使接觸熱阻降低到最小。整個冷卻器回路采用全焊接模式密封，因而可靠性高。根據廣東省科學技術情報研究所對國內外專利及文獻的全面檢索分析及驗收鑒定專家的實際考核，認為該項目屬于集成性自主創新，建議進一步開發批量生產技術及裝備，以推廣應用于計算機、通訊基站、大功率電子及激光器等領域。
展開 高效冷卻硅基微通道散熱器的設計、制造及表征---采用FloEFD進行仿真分析 ￥100
隨著集成電路的迅猛發展（尤其是在射頻微波領域），三維高性能集成電路如GaN等功放器件已廣泛應用于小型化的、微系統產品中。由此也帶來了電子設備及系統中功耗、熱流密度的迅速增加。3D集成電路中持續累積的熱耗已經限制了其應用，如何快速有效的進行散熱是該領域亟需解決的問題。本文針對三種不同微流道散熱結構，建立了三維CFD模型來研究其流阻性能和散熱能力。為了驗證數值計算的結果，本文通過深硅刻蝕和陽極鍵合工藝分別加工了直通、蛇形微流道散熱器，另外，通過薄膜工藝加工了氮化鋁基TaN薄膜電阻用以模擬真實器件發熱。設計并加工了熱測試夾具，自行搭建了液冷測試系統來進行不同結構的熱性能測試。測試結果進一步驗證了仿真的合理性，最終采用蛇形散熱結構實現了443W/cm2的熱流密度。
展開 微流控——芯片內部冷卻
除此之外，浸入式系統將整個機架沉入介電液中，因此冷卻液可以接觸系統的每個部分。主要供應商現在提供針對沉浸感進行優化的服務器。
但還有更進一步的步驟。如果流體可以更接近熱源——硅芯片本身的晶體管，那會怎樣？如果冷卻液在處理器內部流動怎么樣？Microsoft系統技術總監Husam Alissa認為這是一個令人興奮的未來選擇：“在微流體中，有時被稱為嵌入式冷卻，3D異構或集成冷卻，我們將冷卻帶到芯片內部，非常接近運行工作的有源內核。這不僅僅是一個更好的冷卻系統：“當你進入微流體領域時，你不再只是解決一個熱問題。具有自己冷卻系統的芯片可以從源頭上解決問題，即硬件本身。
02
微流控的誕生
1981年，斯坦福大學的研究人員David Tuckerman和R F Pease提出將微小的“微通道”蝕刻到散熱器中，可以更有效地去除熱量。小通道具有更大的表面積，可以更有效地去除熱量。他們建議，散熱器可以成為VLSI芯片的一個組成部分，他們的演示證明微通道散熱器可以支持每平方米800W的令人印象深刻的熱通量。從那時起，這個想法在大學中一直存在，但只對數據中心的實際硅產生了切身影響。
2002年，斯坦福大學教授Ken Goodson、Tom Kenny和Juan Santiago成立了Cooligy，這是一家初創公司，其“有源微通道”設計令人印象深刻，其散熱器直接內置在芯片上，以及一個巧妙的靜音固態電動泵來循環水。該公司于 2005 年被 Emerson Network Power 收購。
隨著半導體制造的發展并進入三維結構，集成冷卻和加工的想法變得更加實用。從 1980 年代開始，制造商嘗試在硅芯片上將多個組件相互疊加。
展開 紅外加熱爐冷卻通道設計及熱-流耦合仿真 ￥1000
本案例設計建立了一紅外加熱爐，并對模型進行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關模塊，仿真了爐內物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結果如下所示：
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基于內部通道冷卻的渦輪葉片熱應力仿真 ￥5
在渦輪機行業，用流體冷卻渦輪葉片是常見的做法 流經冷卻孔。由于刀片中的溫度梯度， 會產生熱應力，從而導致葉片失效。
在典型的熱應力分析中，溫度被計算出來，然后應用為 應力分析的荷載條件。雖然可以解決 溫度通過對共軛傳熱進行建模 計算流體動力學 （CFD） 代碼，它需要大量的 計算資源。CFD 的降階模型，假設一維流 通過孔，可以提供一種廉價的解決方案，而不會造成重大損失 準確性。由于通過冷卻孔的質量流量是已知的，因此經驗 薄膜系數的關系可用于模擬來自 刀片到流體。
電子產品熱管理現狀和未來技術方向思考
圖11 微通道冷卻或3D片上冷卻[12]
微通道流體冷卻效率已經被實驗證實很高[12]，但這是一個尚未被商業化的方向。這種片上冷卻，由于熱路與電路太近，以至于很可能不得不進行熱、電協同設計才能確保產品按照預期目標運行。其大面積推廣將建立在許多技術甚至科學問題被解決的前提之上:
1) 微通道的嵌入工藝：微通道將會貫通元器件，并在單板內部穿梭，和冷量提供部件結合，從工藝上實現這一結構，保證密封性和長期可靠性，并無先例；
2) 流體在微通道內的流動和傳熱狀態：微流體力學已經建立了大量理論，但在芯片和單板內部，還存在反復高頻交變的電磁場，其與流動的流體之間產生的相互影響，以及這種影響對換熱效率、對信號處理帶來的效應并不清晰；
3) 流體本身的物理性質：流體的導熱系數、粘度、密度等熱物理參數，以及導電率、介電常數、磁導率、介電損耗、磁滯損耗等電學性能設計，對微通道結構形態甚至微通道冷卻系統的可行性有關鍵影響。
4、熱池
相對電能，熱量是一種品質更低的能量，其宏觀指標為溫度。低品位意味著外部許多形式的能量都可以自發地轉換成熱能，從而導致其在自然界普遍存在且更難控制。電的敏感性和可控性使得信息社會建立在高低電位的控制邏輯之上。
自然界存在半導體，微量的雜質摻雜即可大幅改變材料導電性，但至今尚未發現熱的半導體。本文提出的熱池，是相對電池而言的，雖然并不違背熱力學第二定律，但結合當前人類電池技術的現狀，它難度更大，更像是一種猜想。熱池功能的發揮甚至建立在微通道冷卻技術被攻克的基礎之上，就像電池必須要有電能輸運線路一樣。熱池需要具備如下功能：
1) 能夠在很小的體積內高效吸收存儲大量熱量；
2) 能夠在很短的時間內釋放出存儲的熱量；
3) 上述過程可以多次循環進行。
展開 細胞通過微通道的仿真
本篇文檔展示了細胞通過柔性和非柔性微通道的過程。基于COMSOL軟件的單向流-固耦合方法模擬了兩種情形：1、細胞通過柔性微通道時，通道壁會發生變形，細胞變形相對較小，在壁面的振動下，細胞在幾乎不發生變形的情況下能順利通過通道；2、細胞通過非柔性微通道時，通道壁變形很小，細胞會在縮頸段發生變形，從而順利通過通道，出通道后，細胞會逐漸恢復變形。效果展示如下：
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錐形微通道內液滴的自運輸仿真 ￥500
錐形微通道是一種具有逐漸變窄的結構，它在微流體領域中扮演著重要的角色。錐形微通道的設計可以在流體中產生壓力變化，從而推動自流輸運。在錐形微通道中，當流體從寬端流向窄端時，通道的寬度減小，通道的剖面積減小，流速增加，而根據質量守恒定律，流體的質量流量保持不變。根據伯努利方程，流體速度增加會導致壓力降低。因此，在錐形微通道中，由于幾何上的突變，流體在通道中產生了驅動力，推動自身沿著通道從寬到窄運輸。這種自運輸現象可以在微流體技術中發揮重要作用，如在微流控芯片和微流控設備中。通過設計合適的錐形微通道結構，可以實現流體混合、分離、粒子分選和藥物輸送等應用。此外，錐形微通道還能夠提供更快速的反應速度、更高的靈敏度和更小的樣品消耗。
本案例建立的錐形微通道模型如圖1所示。為更好地量化分析錐形微通道流體自運輸機制，將微通道內的流體簡化為液滴，在仿真模型中將液滴的初始位置設為微通道中間，為實現液滴固-液邊界張力驅動，將微通道內壁設為濕潤邊界，且液滴與微通道內壁相切，微通道兩端與大氣連通，無外加荷載，數值仿真結果如圖2所示。
圖1 幾何模型
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展開 利用lammps模擬LJ流體在微通道中為二維流動
2.1.問題描述
本次研究擬采用LJ體系模擬二維Couette flow，Couette flow（庫愛特流）指的是粘性流體在相對運動著的兩平行平板之間的層流流動。這個流動是由作用在流體上的粘性力和與平板平行的外部壓力推動的。本次研究通過固定底端，移動頂端來制造Couette flow。
2.2.模型描述
具體模型如圖2.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，初始晶體模型為六方最密堆積結構，晶格參數為0.7，沿x（100）方向為20倍晶格長度，y方向（010）為20倍晶格長度。此次模型為2維模型，x為流動方向，因此設置為周期性邊界。y方向采用收縮邊界，以模擬平板移動。采用OVTIO進行模型可視化處理。在模擬流動前先設置流動區域和平板區域。具體方式為采用velocity和fix setforce命令固定底端和頂端1倍晶格長度的區域作為平板。對中間的流體區域采用速度標定法進行控溫。在進行流動模擬時，為頂端的固定區域設置沿x方向的初速度為5.0，其他方向速度為0。底端繼續保持固定。流動模擬一共運行100000步。
圖2.1：模型示意圖
2.3結果整理與分析
圖2.2展示了在初始1000步，50000步和100000步時流體原子沿著y方向的x方向速度（vx）的分布情況。從圖中可以看出有平板與流體之間粘性力帶起的流體運動存在著明顯的滯后現象。這樣的滯后體現在空間和時間尺度上。在空間尺度表現為從固定端到移動端存在著明顯的速度梯度。從時間尺度上表現為流體的速度隨著時間逐漸增加。同時還利用OVITO分析了沿y軸不同位置原子的移動軌跡，如圖2.3所示。這里也可以清楚的看的靠近頂端移動平板的原子在相同時間內有著更長的移動距離。這樣的可視化可為Couette flow的直觀分析帶來更大的便利。
展開 基于特殊Epsilon微腔的定向輻射冷卻
因此尚未報道實質性的定向輻射冷卻效應。此外，定向熱發射器或輻射冷卻器的實際用途仍然不清楚。
02
成果掠影
近期，華中科技大學胡潤副教授、韓國慶熙大學Eungkyu Lee和Sun-Kyung Kim教授團隊制備了一種寬帶定向輻射冷卻器，在p和s極化中都具有高振幅側發射。采用貝葉斯優化方法對其多維結構的變量進行優化，使目標光譜中的角選擇性和總半球發射率εT達到最大。用標準半導體工藝精確制造了該結構。利用能量-動量色散揭示了定向發射的基本物理原理，定向發射在多個特殊的epsilon波長處達到峰值。作者發現，由于溫室效應，全方位熱發射器在封閉系統中可能無效。相比之下，該研究團隊開發的側發射熱發射器即使在封閉系統中也能保持冷卻性能。此外，它還可以為靠近光電器件的用戶提供熱舒適。相關研究成果以“Directional Radiative Cooling via Exceptional Epsilon-Based Microcavities”為題發表于《ACS Nano》。
03
圖文導讀
圖1 氧化物基熱輻射器。(a ~ f) 模擬氧化物/金屬膜(a、b)、獨立氧化膜(c、d)和微結構獨立氧化膜(e、f)的能量-動量色散和電磁能量分布。
圖2 SiO2/AlOX雙殼中空微腔的設計與制備。
展開 前沿 | 自匹配光源編碼的散射介質信息傳遞微通道
基于這種差異，我們推定：在相干照明模式下，整塊毛玻璃構成類似光闌的信道，只是該信道是被毛玻璃的隨機相位分布編碼過；非相干照明模式下，毛玻璃的整體編碼信道失效，但毛玻璃隨機相位分布中存在的大量的微結構構建了新的信息傳遞通道。進一步的周期性相位光柵和毛玻璃的對比實驗和模擬結果都驗證了散射介質的微結構才是構成非相干照明下信道關鍵；沒有相應的微結構的話，即便存在其他結構，也無法構建有效的信道。
除此之外，我們還發現，當不存在有效信道時，即便是空間平移不變系統也無法傳遞信息。空間平移不變性一直被視為系統能夠傳遞信息的充分條件，即系統輸出等于輸入和系統點擴散函數的卷積。
圖1 （a）光闌和毛玻璃信道在相干和非相干兩種照明模式下的實驗排布圖和對應的實驗預測成像結果。目標手寫數字依次加載在數字微鏡設備(DMD)上。（b）非相干照明下，周期光柵和毛玻璃（對應的相位分布分別加載在空間光調制器SLM上）信道實驗的實驗排布圖和對應的結果。
觀點評述
盡管散射介質結構復雜，光在其中的傳播無法追跡，傳遞過程無法準確描述，仍然存在解構散射介質的可能。
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基于COMSOL仿真多通道微流體混合過程 ￥500
<p>本案例設計了一種新型十級多通道結構，用于藥物與培養液進行混合，并通過COMSOL軟件仿真了其混合的動態過程，結果如下圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/4238008bf3ab4e88879d6815c1cac35d.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，詳細了解仿真過程。</p><p><br></p>
展開 分布式參數模型在微通道環路熱管熱管理中的應用
因此，新型冷卻系統既要滿足數據中心散熱的要求，又要盡可能降低能耗。
環路熱管（LHP）采用重力分離式，具有高導熱率和高度可調結構的協同優勢。同時，LHP裝置根據蒸發器和冷凝器相對分離的特點，將密閉柜體與外界環境隔離，避免灰塵、濕氣等外部環境因素的干擾，保證內部運行的穩定性。最重要的是，將環路熱管應用于數據中心的熱管理，可以彌補傳統風冷散熱抗干擾能力弱、空調制冷能耗高的缺點。此外，微通道平行流換熱器具有結構緊湊、制冷劑充注量少、傳熱性能好的優點，目前主要應用于汽車空調、小型制冷設備等。因此，采用微通道并流換熱器作為LHP的蒸發段和冷凝段是一種新型高效的散熱方式，具有良好的散熱效果。在充電站、數據中心等封閉機柜散熱領域具有較高的應用前景。
02
成果掠影
近期，東南大學能源與環境學院陳振乾教授團隊提出了三維分布參數模型并結合實驗系統，研究了填充率、高度差、換熱器結構和運行參數對MCLHP系統傳熱性能的影響。研究團隊特別提出了泵輔助MCLHP來提高傳熱能力。分布參數模型與響應面法相結合的模擬表明，最大傳熱能力為1.402 kW，填充率為79.7%。雖然改變結構參數會提高傳熱能力，但它將通過增加空間結構和空氣阻力來補償。研究所提出的泵輔助MCLHP系統可以穩定運行，傳熱能力高達4kW，在充電樁和數據中心等高熱通量冷卻中具有潛在的應用前景。相關研究成果以“Application of distributed parameter model in thermal management of microchannel loop heat pipe”為題發表于《Applied Thermal Engineering》。
展開 基于Comsol的MHD磁流體驅動微通道散熱
</p><p> 目前成熟應用的是冷卻核反應堆的磁流體動力泵 ,也可用于冶金,機器制造及化工行業 ,輸送及定量供給溫度達 75 0℃的熔融有色金屬及堿金屬.如鋼板鍍鋁和鍍鋅時從熔池抽出熔融金屬 ;在壓力鑄造時定量輸送熔融金屬 ;清理金屬熔池與排除故障等。</p><p> 另外也有海水磁流體推進器，磁場能對導電的海水產生電磁力作用，使之在通道內運動，若運動方向指向船艉，則反作用力便會推動船舶前進。</p><p><em> 簡化后磁流體動力系統如下圖所示，施加電流于兩個磁體之間通道中導電流體，在磁場作用下引起流動變化。</em></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202109/imgs/79db79d6ef0f412faf82862b1b1d0026.png"></p><p><br></p><p><em> 此次采用磁流體動力系統對微流體部件的散熱進行分析。通過控制磁場的大小和方向，可以看到微流道末端的溫度發生改變。
展開 技術流 | DfAM底層通用技術之微通道散熱設計
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。
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