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(shù)所采用的結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、質(zhì)量輕、運行安全可靠，因此微通道換熱器技術(shù)近些年來越來越受到關(guān)注，在微電子、航空航天、醫(yī)療、化學(xué)生物工程、材料科學(xué)、高溫超導(dǎo)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(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場合中有重要的應(yīng)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(nèi)的換熱面積很大。相應(yīng)地, 其單位體積傳熱系數(shù)高達幾十到幾百MW/( m 3 K)?, 比普通換熱器要高1～2個數(shù)量級。

圖1 微通道換熱器的應(yīng)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(yīng)的分析。

研究內(nèi)容:仿生設(shè)計微通道散熱對比分析

仿生設(shè)計借鑒自然界中具有優(yōu)良特性的網(wǎng)絡(luò)拓撲，是在進行微通道設(shè)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和對比分析，對比相同仿真參數(shù)下微通道溫度分布的不同。

圖2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)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(diào)整，為了方便對比，選取相同尺寸25mm*25mm*0.8mm。

圖3 仿蜘蛛網(wǎng)微通道

圖4 仿旋渦微通道

圖5 雪花微通道

圖6 仿真結(jié)果對比

與傳統(tǒng)的微通道散熱器相比較，上述設(shè)計首先通過均衡的微通道截面面積設(shè)計保證了工作流體的整體穩(wěn)定流動模式。但是通道的截面形狀和分合設(shè)計多次變化；其次設(shè)計了特殊的連通通道組，以方便設(shè)計較小的橫截面面積和連通通道長，保證流體在通道內(nèi)部快速流動，及時輸運熱量，實現(xiàn)短程均勻散熱，使其內(nèi)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(nèi)工作流體單一流向產(chǎn)生沿流動方向溫度梯度的問題，一方面調(diào)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(nèi)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(nèi)容:變密度拓撲優(yōu)化微通道設(shè)計

拓撲優(yōu)化是根據(jù)桁架理論的提出而開始研究的，在國內(nèi)外學(xué)者的共同努力下，桁架理論不斷完善，離散結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化也相繼得到了極大的豐富，散熱拓撲優(yōu)化就是從結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的研究成果基礎(chǔ)上發(fā)展而生一種拓撲優(yōu)化設(shè)計方法?；诿芏鹊耐負鋬?yōu)化方法，設(shè)計變量通過有限元網(wǎng)格離散，每個單元分配一個唯一的設(shè)計變量。

圖7 兩種設(shè)計域進行拓撲優(yōu)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(yōu)化結(jié)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(yōu)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(yōu)化的復(fù)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(fù)雜要求，需要借助計算機用數(shù)值方法求解拓撲優(yōu)化問題。因此解決拓撲優(yōu)化的挑戰(zhàn)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(yōu)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(yōu)化求解拓撲優(yōu)化問題逐漸會發(fā)展成求解散熱問題的熱門領(lǐng)域。