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(yùn)行安全可靠，因此微通道換熱器技術(shù)近些年來(lái)越來(lái)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(qiáng)激光鏡的冷卻, 以及其他一些對(duì)換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場(chǎng)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(diǎn)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(dá)幾十到幾百M(fèi)W/( m 3 K)?, 比普通換熱器要高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1 微通道換熱器的應(yīng)用

本文主要基于Ansys軟件對(duì)不同微通道換熱器的性能進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

研究?jī)?nèi)容:仿生設(shè)計(jì)微通道散熱對(duì)比分析

仿生設(shè)計(jì)借鑒自然界中具有優(yōu)良特性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，是在進(jìn)行微通道設(shè)計(jì)時(shí)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(bào)告通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和對(duì)比分析，對(duì)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(duì)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(duì)比

與傳統(tǒng)的微通道散熱器相比較，上述設(shè)計(jì)首先通過(guò)均衡的微通道截面面積設(shè)計(jì)保證了工作流體的整體穩(wěn)定流動(dòng)模式。但是通道的截面形狀和分合設(shè)計(jì)多次變化；其次設(shè)計(jì)了特殊的連通通道組，以方便設(shè)計(jì)較小的橫截面面積和連通通道長(zhǎng)，保證流體在通道內(nèi)部快速流動(dòng)，及時(shí)輸運(yùn)熱量，實(shí)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(guò)程，同時(shí)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(dòng)方向溫度梯度的問(wèn)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(bǔ)償了進(jìn)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(shí)間的流量相當(dāng)，從而保證不同連通通道散熱能力的均衡。

研究?jī)?nèi)容:變密度拓?fù)鋬?yōu)化微通道設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)桁架理論的提出而開(kāi)始研究的，在國(guó)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?fù)鋬?yōu)化也相繼得到了極大的豐富，散熱拓?fù)鋬?yōu)化就是從結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的研究成果基礎(chǔ)上發(fā)展而生一種拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。基于密度的拓?fù)鋬?yōu)化方法，設(shè)計(jì)變量通過(guò)有限元網(wǎng)格離散，每個(gè)單元分配一個(gè)唯一的設(shè)計(jì)變量。

圖7 兩種設(shè)計(jì)域進(jìn)行拓?fù)鋬?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?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

上例主要是基于不同的壓降進(jìn)行不同工況下的散熱拓?fù)鋬?yōu)化，其中散熱器的傳熱性能可以通過(guò)其熱阻來(lái)測(cè)量。

由于拓?fù)鋬?yōu)化的復(fù)雜性，只有少量的問(wèn)題可以用解析的方法人工進(jìn)行求解。為了滿足工程中的復(fù)雜要求，需要借助計(jì)算機(jī)用數(shù)值方法求解拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。因此解決拓?fù)鋬?yōu)化的挑戰(zhàn)首先在于如何在計(jì)算機(jī)中用離散模型描述拓?fù)洌黄浯问侨绾谓⒁粋€(gè)可供計(jì)算機(jī)求解的優(yōu)化模型。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力的提高以及有限元等分析工具的成熟，采用計(jì)算機(jī)求解拓?fù)鋬?yōu)化求解拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題逐漸會(huì)發(fā)展成求解散熱問(wèn)題的熱門(mén)領(lǐng)域。