建立了雙層樹型微通道換熱器三維模型，模擬分析了其熱流耦合場(chǎng)。對(duì)比單、雙層樹型微通道換熱器的最高溫度及雙層樹型微通道在順流、逆流、交叉流三種情況下的冷卻效果及底面溫度分布所占比例。底部熱流密度qw=50 W·cm-2時(shí)，單層樹型微通道底面最高溫度為102.5 ℃，雙層樹型微通道底面最高溫度低于63.38 ℃，底面溫度低于60 ℃部分所占比例均高于60%。雙層樹型微通道冷卻效果明顯優(yōu)于單層，在逆流方式下，雙層樹型微通道底面溫度分布均勻，中心部分具有較低溫度，有效改善了一般換熱器散熱不均而造成的中心部分溫度過(guò)高的問(wèn)題。

　　引言

　　隨著芯片的集成和性能不斷提高，電子設(shè)備趨向大功率、微型化發(fā)展�，F(xiàn)有芯片級(jí)的熱流密度已高達(dá)106 W/m2，當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)，其穩(wěn)定性和效率都會(huì)下降。風(fēng)冷和傳統(tǒng)液體冷卻技術(shù)已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的散熱需求，散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約電子工業(yè)發(fā)展的主要因素之一。

　　單層微通道換熱器由Tukerman 等于1981 年提出，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和微機(jī)電系統(tǒng)的冷卻。眾多學(xué)者對(duì)微通道內(nèi)流體流動(dòng)和換熱特性做了一系列的數(shù)值計(jì)算，單層微通道換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積散熱效率高等特點(diǎn)，但也存在壓降大、消耗泵功率過(guò)高、沿通道溫度分布均勻性差等缺點(diǎn)。

　　Vafia等首次提出具有逆流結(jié)構(gòu)的雙層微通道換熱器，研究表明，其能顯著減小沿通道的溫差，相比單層微通道具有更好的換熱性能，更適合作為高熱流密度電子芯片的冷卻裝置。Chong等構(gòu)建了雙層微通道的數(shù)值模型，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)微通道的換熱性能。Xie等對(duì)比了單、雙層微通道的換熱特性，結(jié)果表明雙層微通道具有較高的冷卻速度，而且具有較低的壓降。Hung等采用三維數(shù)值模擬對(duì)換熱器材料、冷卻劑種類、通道截面積和幾何形狀進(jìn)行了研究。徐尚龍等[15]研究了平行結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)的單層微通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電子芯片散熱效果的影響，結(jié)果表明樹型微通道有最好的換熱效果。

　　文章對(duì)比樹型單、雙層微通道換熱器的換熱特性，并設(shè)計(jì)了三種雙層樹型微通道換熱器，根據(jù)冷卻流體流動(dòng)方向不同分為順流、逆流、交叉流型。通過(guò)研究其熱流耦合場(chǎng)，對(duì)比微通道內(nèi)冷卻流體不同流動(dòng)方式對(duì)冷卻效果的影響，為芯片冷卻用微通道的設(shè)計(jì)制作提供一定的理論指導(dǎo)。

　　1、計(jì)算模型

　　雙層樹型微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其包含依次疊加的下層通道、上層通道及蓋板。樹型通道由主干道和各級(jí)分支組成，主干道沿?fù)Q熱器對(duì)角方向，各級(jí)分支與主干道呈45°夾角，通道截面均為矩形且深度相同。雙層樹型微通道內(nèi)冷卻流體的三種流動(dòng)方式如圖2所示，順流和逆流時(shí)主干道平行，交叉流時(shí)上下層主干道呈90°。

圖1 雙層樹型微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙層樹型微通道內(nèi)冷卻流體的三種流動(dòng)方式示意圖

　　4、結(jié)論

　　文章建立了三維樹型微通道換熱器模型，對(duì)比單、雙層微通道的換熱冷卻效果，并分析了雙層微通道冷卻流體在三種不同流動(dòng)方式：順流、逆流、交叉流條件下的熱流耦合場(chǎng)。結(jié)論為：

　　(1)單層樹型微通道表面溫度較高，采用雙層結(jié)構(gòu)，上層通道對(duì)下層通道具有冷卻作用，故雙層結(jié)構(gòu)可強(qiáng)化冷卻效果;

　　(2)雙層樹型微通道的最高溫度比單層樹型微通道低40 ℃左右，但微通道數(shù)量增多會(huì)消耗更多泵功率。雙層逆流方式下，最高溫度為60.82 ℃，已基本達(dá)到電子器件的耐受溫度范圍，在經(jīng)濟(jì)適用的前提下，無(wú)需采用更多層數(shù)，所以應(yīng)盡可能選用雙層微通道換熱器;

　　(3)雙層樹型微通道內(nèi)的冷卻流體在順流、逆流及交叉流方式中，逆流時(shí)具有最低溫度，底面64.56%的區(qū)域溫度低于60 ℃，溫度分布較均勻且中心部分溫度最低，有效改善了一般換熱器散熱不均而造成的中心部分溫度過(guò)高的問(wèn)題。