关于嵌入式歧管特斯拉图案微通道散热器增强热传递的实验
论文信息：Yi-Tao Shen, Yu-Bin Dai, Jia-Xi Lu, Rui Zhou, Hua Chen, Wen-Long ChengExperiment on enhanced heat transfer of embedded manifold Tesla-patterned microchannel heat sink,International Communications in Heat and Mass Transfer,论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0735193325004762
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研究背景
近年来，随着科学技术的快速进步，人类在信息技术、航空航天技术和新能源等领域取得了显著的突破。这些进展需要高性能和高度集成的电子元件的支持。为了满足计算机、电子通信、航空航天、雷达和人工智能等领域高功率芯片的设计要求，电子元件如芯片正在向更高的集成、微型化、智能化和更大的计算能力发展。随着电子元件不断微型化和集成，热流速率也在上升，热产生达到每平方厘米高达1000瓦，甚至在某些情况下更高。如果这些热量不能有效散发，就会导致热量积累，升高设备的温度。过高的温度会影响电子元件的性能和稳定性，甚至会损坏元件。有效的热管理策略对于高热流芯片的利用至关重要。
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研究内容
图1展示了歧管与微通道之间的关系。工作介质通过歧管的入口进入微通道，向两侧流动，最后从歧管的出口流出。
图1. 流形微通道流动的概念 这三种结构的微通道嵌入在尺寸为20毫米 × 20毫米、厚度为0.525微米的硅基板上。整体微通道占据5毫米 × 5毫米的区域，深度为150微米。图2展示了三种微通道顶视结构的示意图。为了更好地比较和分析三种微通道结构的流动和热传递差异，微通道采用相同的特征尺度。流体通过一个 manifold 分配管道输送到微通道，该管道由三个入口和四个出口组成，从而形成一个单元格结构，如图3所示。橙色部分是固体区域，黑框所框出的其余透明部分是流体区域。热流应用于图3模型的底部。该单元格模型已被验证可用于分析散热器的整体热耗散能力，这将在本文后续的数值分析中应用。图2. 三个微通道顶部结构的示意图。 (a) EMTM; (b) EMSPM; (c) EMRE图3. 结构图。(a) EMTM；(b) EMSPM；(c) EMRE 使用入口温度为25 ◦C的HFE7100作为工作流体，对包含三种微通道结构的原型芯片进行了热传导实验，流量为3 mL/s、4 mL/s和5 mL/s。选择100 ◦C作为芯片正常工作时的阈值温度，并测量和输出芯片表面九个部分的温度变化，如图8所示。本研究包括单相阶段和两相阶段，如图8所示。研究结果表明，EMTM的过渡点（从单相阶段到两相阶段）的热流密度显著高于EMSPM的360 W/cm2和EMRE的345 W/cm2，达到517 W/cm2。这表明EMTM的单相热传导能力更强，在相同的热流密度和流量下，可以更有效地带走热量，从而降低壁面温度。当热传导阶段进入两相区域时，由于流动沸腾引起的气相和液相的不均匀分布，以及边界层的加厚，微通道热沉的温度分布均存在不同程度的不均匀。这种温度分布的差异随着负载功率的增加而更加明显，但特斯拉图案的微通道限制了蒸气-液体流动的方向，从而在较大负载功率下突显了芯片表面的温差。图8. 在流量为3 mL/s时，芯片表面温度与热流的关系；(a) EMTM；(b) EMSPM；(c) EMRE。 在三种工作条件下，热芯片表面的平均温度变化进行了比较（图9）。很明显，芯片表面的温度主要受到微通道结构的影响。与EMRE相比，EMTM表现出独特的特性，即其热传递能力随着体积流量的逐渐增加而增强。在5 mL/s的体积流量下，热通量达到700 W/cm²，这可以使芯片表面温度降低28 °C。当特征尺度相同时，特斯拉图案微通道的传热面积几乎与矩形通道相同。这两者之间的差异微乎其微，可以认为是无关紧要的。因此，可以推断芯片表面温度的变化主要归因于特斯拉结构引起的湍流。此湍流增强了工作流体与壁面之间的相互作用，从而导致边界层变得更薄。在两相阶段，这一特性依然存在，由于边界层的破坏，微通道壁面上蒸气膜的形成变得困难，导致在更高的热通量下，EMTM和EMRE之间的温度差逐渐增加。与上述情况相反，在大流量下，EMTM与EMSPM之间的传热性能差异减小。这一现象与之前对EMSPM和EMRE的研究一致。当热通量在5 mL/s时达到840 W/cm²时，芯片表面温度可降低20 °C。在两相阶段，由于自身结构的特殊性，EMTM可以使混合流体在固定方向上流动，并诱导气泡的快速排放。这种方法有效缓解了微通道中气泡回流引起的温度急剧上升。此外，特斯拉结构避免了在错列针翅片结构中普遍存在的大流量死区问题，这些问题会妨碍气泡的积聚。如图9所示，EMTM相比其他两种微通道展现出更低的斜率，并且没有明显的热芯片表面超热急剧上升现象，这通常意味着它具有更高的临界热通量。本研究仅考虑了在100 °C范围内原型芯片的实验研究，因此未测量临界热通量。图9. 芯片表面平均温度与热流之间的关系；(a) G = 3 mL/s；(b) G = 4 mL/s；(c) G = 5 mL/s。 记录的温度数据允许在各种操作条件下计算三个散热器的对流热传递系数（HTC），如图10所示。微通道中的HTC受流速和流体物理特性的影响。特别是，流量增加会导致HTC增加。图10显示，EMTM的HTC比其他散热器高55.3%到88.3%。HTC的总体趋势趋于水平，但值得注意的是，在两相阶段后，随着热流的持续增加，微通道中出现完全发展的气泡流，三个微通道散热器的HTC降低，这在较低的体积流速下更为明显。图10. 热通量下的HTC；（a）G = 3 mL/s；（b）G = 4 mL/s；（c）G = 5 mL/s。 在实验中对工作流体进行了分析，并获得了不同工作条件下压降与热流的关系（图11）。如图11所示，EMTM的压降通常高于EMSPM和EMRE。举例来说，在体积流量为3毫升/秒时，在单相相中，三种微通道散热器的压降均表现出轻微的下降。这个现象可以归因于HFE7100的物理特性。随着温度的升高，液体的密度和动态粘度减少，从而导致微通道工作介质中的压降降低。由于EMTM中湍流效应更强，工作流体与墙壁频繁碰撞，流动阻力增加，这突显了EMTM在单相阶段中的压降。图11. 压力降与热流的变化。(a) G = 3 mL/s; (b) G = 4 mL/s; (c) G = 5 mL/s EMTM与另外两种微通道散热器进行了全面比较。图12显示了在三种工作条件下，热流密度与热阻(R)的变化情况。通常，较高的体积流量增加了壁面与工质之间的对流热传递，从而导致壁温降低。热阻通过公式(10)进行量化。如图12所示，随着体积流量的增加，热阻减小。在三种工作条件下，EMTM的热阻显著小于其他两种微通道散热器，减小幅度为22%~32.2%。在单相阶段，总热阻没有明显变化。在达到两相阶段之后，三种微通道散热器的热阻增加，但特斯拉图案的微通道增加幅度最小。增加体积流量不仅降低了热阻，还增强了对流热传递系数和努塞尔数。表4展示了在三种不同操作条件下，雷诺数、平均对流热传递系数与努塞尔数之间的关系。努塞尔数通过公式(9)计算，反映了对流热传递与热导之间的比例关系。EMTM的努塞尔数远大于其他两种微通道散热器。这表明，结构内部曲率显著增强了微通道内的横向和纵向液体扰动，破坏了热边界层，并增强了对流热传递效果。需要注意的是，特斯拉图案微通道散热器的努塞尔数增大对雷诺数的变化更为敏感。这表明，较大的体积流量将使对流热传递效果的增强更为明显。
图12。热阻与热流之间的关系；(a) G = 3 mL/s；(b) G = 4 mL/s；(c) G = 5 mL/s
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结论
提出了一种嵌入式特斯拉图案微通道散热器，并与EMSPM和EMRE进行了全面比较。以HFE7100作为工作液，在3 mL/s至5 mL/s的体积流量下进行了热传递和流动分析实验。得出的结论如下：1 .在流量为5 mL/s时，使用HFE7100作为工作流体，特斯拉图案微通道散热器的热流密度可以达到1000 W/cm²，平均温度约为100°C。特斯拉图案微通道的实施能够在三种工作条件下将芯片表面的温度升高降低约20°C，冷热界面传热系数（HTC）提高了55.3%到88.3%，热阻降低了22%到32.3%。2 .与另外两种微通道散热器相比，特斯拉图案微通道散热器可以额外散发150 W/cm²的热流密度，并达到两相阶段，这表明它可以在更高热流密度下稳定地以单相传热运行，并且即使在两相阶段，热流密度与温度之间的关系也表现出明显的线性化。3 .随着体积流量的增加，特斯拉图案微通道散热器的热传递效果比其他两种微通道散热器更显著。所有三种微通道散热器的随着流量的增加，冷却器在较高的热通量下达到了两相阶段。特斯拉图案微通道中的曲面结构增强了工作流体在微通道中的扰动，抑制了气泡的积聚，从而促进了蒸气的快速排出，并延长了流体在壁面上的润湿时间。尽管在单相阶段，总压力降增加了20%到45%。在两相传热阶段，特斯拉图案微通道的压力降在相同热通量下略低于其他通道。
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