許文博

為了更好的散熱，在微通道的基礎上進行結構優(yōu)化，本文設計T型微通道與雙層微通道進行實驗對比。使用T型微通道與直流微通道進行對比試驗中，共使用三種微通道，T型、直流、雙層直流進行試驗對比。從試驗結果可以看出T型微通道具有更強的換熱能力，并且可以使被散熱的表面溫度更加均勻，同時壓降也更小，減小了冷卻液輸送過程中的能量損失。

1引言

CPU的散熱一直以來都是影響其工作的重要影響因素，不光是要求CPU表面達到規(guī)定的工作溫度，同時如果CPU表面溫度出現過大的溫度梯度同樣會影響CPU的工作和其本身的安全性。所以本文介紹了在高效換熱器微通道的基礎上設計的單雙層T型流動的微通道，并且通過實驗對比其在不同條件下與雙層直銅微通道的換熱等的對比情況。并且引入納米流體后對換熱等結果情況的影響。

2微通道的發(fā)展

近些年，隨著微電子技術的不斷發(fā)展，電子芯片的的功率和集成度急劇增長，微型元件的運行速度高、功率大，系統(tǒng)內的熱流密度非常大。同時還伴隨著電子芯片和各種電子元件的體積不斷縮小。例如，某些大型計算機的芯片上承載大量的電容、電阻以及晶體管等電子元器件，并且最新型的芯片出現了多層芯片的概念，這就導致其運行過程中的熱流密度超過100W·cm2，最高達到 200W·cm2左右。如果工作過程中產生的熱量不能及時散掉，將引起芯片表面溫度的急劇升高，而電子芯片的工作溫度是影響其運行可靠性以及壽命的關鍵因素，溫度分布不均或溫度過高都會影響芯片的正常運行。有研究表明：電子器件對溫度十分敏感，溫度是影響其工作可靠性的重要因素，當電子元件的工作溫度達到70℃～80℃之后，如果溫度繼續(xù)升高，將引起電子元件運行的工作頻率和可靠性急劇下降，嚴重時可能導致芯片的燒毀。另外，當微電子元件系統(tǒng)的熱流密度大于100 W·cm2時傳統(tǒng)的冷卻方式已經不能滿足這種高熱流密度電子器件的散熱需求，散熱問題已經制約了集成電路的發(fā)展，因此，為使電子器件的工作溫度保持在允許范圍內，設計新型高效的冷卻散熱裝置成為一個急需解決的問題。

隨著全球化的不斷推進，使得更便宜的設備、更輕的重量、更高的效率得以推廣。微電子機械系統(tǒng)的應用使新型的冷卻設計可以用于微型設計，特別是電子應用。提高電子芯片的性能需要使用更多的電阻，這會導致這些設備產生大量的熱量。

1981年，Tuckerman和Pease[1]在電子制冷中采用了微換熱器的概念，開啟了散熱新機制的大門，取代了傳統(tǒng)的空氣散熱器的低熱容。增加冷卻系統(tǒng)熱性能的另一個重要因素是采用合適的冷卻劑。實踐證明，不同的流體具有不同的流動特性，這對整體性能有很大的影響。近年來，納米流體在一些工程應用中被廣泛應用，以提高基礎流體的導熱系數。傳熱系數可以通過增加通道表面積與通道體積的比值來提高，而且流體本身的傳熱系數決定了運載熱量的能力。因此，全面改善傳熱性能必須集中改變通道的尺寸和換熱器內的流體類型。這一領域仍面臨兩大挑戰(zhàn)。首先，利用高輸運功率使通道入口和出口之間產生的高壓降。其次，沿通道產生的較大溫差增加了冷卻電子元件中的熱應力，致使由于電熱不穩(wěn)定性產生的熱擊穿概率提高。這促使工程師從傳統(tǒng)的單層微通道向雙層或多層微通道轉變。Vafai和Zhu[2]提出了雙層微通道散熱器，這是一種創(chuàng)新的設計，為微型裝置的冷卻系統(tǒng)增加了更多的特性，在這種裝置中，壓降顯著降低，熱量在微通道長度上分布更好。Gunnasegaran等人的[3]研究表明，雙層微通道最小的水力直徑（D h）在傳熱系數和溫度分布上具有更好的一致性，壓降和摩擦系數的性能更好。同時根據其結果表明，矩形通道的傳熱系數較高，梯形通道次之，三角形通道次之。Hung等人[4]也對微通道進行研究，表明與單層微通道相比相比，雙層微通道提供的傳熱率約為6.3%，壓降顯著降低。單層微通道換熱的一個關鍵缺點是，由于從電子芯片中吸收熱量的流體相對較少，致使沿微通道的溫度急劇上升，因此冷卻劑經歷了巨大的溫度上升。并且根據Sakanova等人[5]研究表明，與單層微通道相比，雙層微通道的耐熱性降低了15%。同時可以提高了雙層微通道的溫度分布均勻性，提高了電子芯片和半導體器件的性能。

在壓降方面根據Wei等人[6]研究表明，雙層微通道比單層微通道提供更大的流道，因此單位流量下壓降顯著降低，并隨著下層微通道內流動速率的增加，上層微通道內的熱阻也顯著降低。

調節(jié)流速也可以對換熱能力進行一定程度的提升。根據Wang等人[7]研究表明隨著泵送功率的增加，傳熱明顯提高。J.M. Wu等[8]表示將相同的進口速度分配給上層和下層微通道的情況相比，調整上層微通道的進口速度使得其小于底部通道的進口速度，可以提高在給定泵送功率下雙層微通道的總體性能。在單位給水功率下當微通道寬度固定時，寬高比減小并不總能降低熱阻。而Chuan Leng等[9]研究表明當雙層納米流體微通道具有較長的底部通道、較大的通道數、較小的通道間距寬高比、或在較小的泵送功率下，頂部冷卻劑的導熱效果非常突出?？锥春烷g隔排布置對流動摩擦和傳熱也有較明顯的影響。

3微通道實驗部分

本實驗將整體設備分為三個部分，實驗部分、傳輸部分、數據處理部分。實驗部分包括模擬芯片、微通道以及為了防止熱量損失的保溫泡沫。傳輸部分包括水槽、管道、各種口徑的轉換接頭、蠕動泵以及散熱器。數據處理部分包括數據采集所用到的K型熱電偶、壓力變送器、數據采集器、電腦。

為了盡量還原CPU 的工作狀態(tài)，在這里我們選用PTC恒溫發(fā)熱器。尺寸為30×30×6mm，初始表面溫度為80℃。用PTC恒溫發(fā)熱器作為芯片的模型。在本實驗中設計并制作了三種微通道以進行對比試驗。第一種是單層微通道，左右互通，在通道上表面正中間開一條寬2毫米長30毫米的通路，使得冷卻液可以從中間流入從兩端流出。類似T字型流動，在這里簡稱為T1通道。第二種是雙層微通道，是在第一種微通道上再加一層通道，同樣可以實現T型流動，簡稱T2通道。第三種是雙層通道，左右互通，但上下表面并沒有可以流入的通路，冷卻液直接從右側流入從左側流出。三種微通道長寬均為40×50mm，單層微通道厚度為2.5mm，雙層微通道的厚度為4.5mm，每個通道的有效換熱面積為30×50mm。每個微通道單層均有25條通路，每個通道長寬為0.5×0.5mm。微通道的材質為鋁合金。下表面冷卻液與模擬CPU的間距為0.5mm。進行實驗時，會在模擬CPU的表面涂上一層銀硅脂，以便加強熱傳導。

傳輸部分的散熱器是以銅板為基礎，為了更明顯地觀察其微通道的換熱效果，保證入口的換熱介質溫度恒定，所以安裝兩個功率為8W的風扇進行散熱，加速換熱。管道是6mm口徑內徑軟管為基礎的，用以寶塔接頭相互轉換。使用的蠕動泵型號為WT600，量程為300-9999ml/min，精度為0.1ml/min。

數據處理部分選用五根K型熱電偶，兩根放置在流入口與流出口處，其余三根放置在微通道表面各位置，以測量傳熱的均勻情況。壓力變送器為PT210B-D8型號，量程為0-300kpa，輸出為4-20mA，電壓為24V。數據采集器選用Agilent34972型號，最終將數據傳輸的電腦當中。

4.1 公式與計算方法

矩形的當量直徑

由質量分數向體積分數的轉化

納米流體的比熱容計算

總的換熱熱量，針對納米流體在進行計算過后得到關于不同種納米流體的等壓比熱容再代入計算。

雷諾數

沿程損失

沿程損失系數

摩擦系數

4.2不穩(wěn)定性計算

5均勻性對比

在CPU工作時，其溫度決定著其工作性能，同時如果表面溫度不均勻，是會嚴重影響CPU的工作效率和穩(wěn)定性，溫差過大或存在較大的溫度梯度也可能造成微電子器件的不穩(wěn)定性甚至燒穿。所以首先是對溫度的均勻性進行對比。

在同一流量下，對比三種不同微通道表面溫度的情況，在這里我們通過對比不同微通道左中右表面的溫度情況進行分析。在流速方面因為冷卻液流動的橫截面不同，在同一流量下，橫截面越大的流速就越慢，使得流動更為均勻。同時因為在T型流動的作用下，使得單位體積的冷卻液流過的換熱面積更小，進而增加了整體微通道的換熱效率。從圖中可以看出三種微通道表面的溫度情況。對于直通的微通道來說流入端在右側所以右側溫度較低，當流動來到中間溫度已經出現梯度變化，到了左側流出時溫差進一步增加;而T型流動的兩個微通道流入端在中間，到從兩端流出，表面溫度并沒有出現過大的溫差。甚至對于T2微通道，變化曲線表現的更加緊湊，說明其表面溫差更小，甚至在變化的過程中都沒有出現溫差過大的情況。折線圖中顯示的是三種微通道在不同流量下的平均最大溫差，可以開出在增大流量的情況下，三種微通道的整體趨勢都是呈現下降趨勢，而T1和T2的下降趨勢相對平滑，沒有大幅度的溫差變化，表面溫度也更加平均，沒有出現較大的梯度變化。冷卻液在a2中流動的時候，從剛開始流入通道內開始吸熱，冷卻液溫度逐漸增加，隨著溫度的增加，冷卻液的比熱容開始降低，吸熱能力有少許下降，同時因為單位體積冷卻液流過的長度相較T1和T2通道更長，在不斷的吸熱的過程中當冷卻液流動后半段的時候與剛開始流入的冷卻液溫差越來越大。這種情況在低流量的情況下表現的更明顯。在增加流量后，單位體積的冷卻液在通道內停留的時間變得更短，并沒有吸收更多熱量，所以溫度梯度相對變小。

5.1熱量對比

在通過流入和流出的冷卻液溫度計算出單位時間內冷卻液的吸熱量，所繪制出的柱狀圖和折線圖可以看出，在增大流量的情況下三種通道的整體換熱趨勢是有所上升的，而相對的a2和T1通道的變化程度相較T2的變化更為劇烈，對于每一條微通道來說，在增加流量的情況下，a2和T1冷卻液流動的冷卻液流動橫截面積較小，所以冷卻液的流動流量變化也更大，T2內冷卻液流動流量變化較小，整體的吸熱量變化也較小。

5.2壓降對比

在整個流動中，壓力損失也是重要的一部分，從圖中可以看出隨著流動速度的增加，整體壓降呈上升趨勢，分開來看，a2的壓降無論是增速還是增量都要高于其他兩種通道，而T1也同樣要高于T2通道。因為三種通道的材質相同，所以冷卻液與通道之間的摩擦系數相同，每個通道幾何形狀相同，排除重力壓降的影響，三種通道內單個微小通道中冷卻液的流動速度不同，而且單位體積的冷卻液流動通過的換熱長度也有很大不同。在相同流量下a2與T1在單個微小通道內冷卻液的流動速度是相同的，而T2內單個微小通道內冷卻液的流動速度是其他兩個通道的一半，單位體積的冷卻液通過的換熱長度來說，a2是T1和T2的二倍。從沿程損失的角度來說，速度越大能量損失越多，管道的長度越長能量損失越大。所以得到的結論就是a2的壓降要大于T1 T2，而T1壓降大于T2，與實際數值相符。

綜合了換熱量、換熱效率來說T2微通道具有更好的換熱性并且擁有更良好的表面均勻性，同時從壓降分析，T2也有著更少的能量損失，在實際中可以增加能量的利用效率，帶來更好的換熱效果。

6結論

（1）三種不同的微通道進行對比，從三者表現出的均勻性來看，在相同流速情況下，T型微通道在很大程度上優(yōu)于直流通道。對于單層和雙層微通道來說，雙層的溫度均勻性要好于單層。同時在增加流量以后三種通道的表面溫度均勻性都有所提高。直流通道的提高程度較大。

（2）通過計算進出口溫度來測量的三種通道的換熱量來看，T型通道的換熱量要多于直流通道。因為通道中單位體積冷卻液所流過的換熱面積來說T型通道流過的面積更小，隨著流量的增加，三種通道的換熱量整體呈上升趨勢，在中間有部分下降的情況。

（3）在測量壓降時發(fā)現，T2壓降小于T1小于a2，通過公式分析因為流速與管長有很大不同，所以在壓降上存在差異，且T2的流動管長和流速都較小所以壓降相對其他兩種通道也較小。其次是T1通道壓降小于a2通道。

參考文獻

[1]Tuckerman D B，Pease R F W.High-performance Heat Sinking for VLSI[J]. IEEE Electron Device Letters，1981，2（5）：126-129.

[2]K. Vafai，L. Zhu，Analysis of two-layered micro-channel heat sink concept in electronic cooling，Int.J.Heat Mass Transfer.42（12）（1999）：2287–2297.

[3]P. Gunnasegaran，H.A.Mohammed，N.H.Shuaib，R. Saidur，The effect of geometrical parameters on heat transfer characteristics of microchannels heat sink with different shapes，Int.Commun.Heat Mass Transfer 37（8）（2010）：1078–1086.

[4]T. Hung，W.Yan，W.Li，Analysis of heat transfer characteristics of double-layered microchannel heat sink，Int. J.Heat Mass Transf，55（11）（2012）：3090–3099.