微型换热器传热分析

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：103230微型换热器传热分析钱中，袁益超（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）（电话：13918445118；e-mail：qian_zhong78@yahoo.com.cn）摘要：以用于芯片冷却的微型换热器为研究对象，建立三维仿真模型，分析其稳态工况下的传热情况，获得了换热器温度、温度梯度和热应力分布。并比较了纯铜、铝、氮化硅三种材质对换热器的性能，结果表明，铜质性能最好，氮氧化硅最差，铝质居中。中低热负荷下三种换热器都能较好的完成冷却任务，但随着芯片发热量的增加，铜换热器优势显现，更具应用前景。关键词：

2、微型换热器；传热分析；温度场；热应力0.前言如今，电子设备的计算能力不断增强、芯片主频不断提高、电子线路板的密度越来越大，工作时产生的热量也越来越多，必须及时这些热量才能保证系统长期稳定运行，而传统换热器显然无法胜任这一任务。微型换热器凭借其体积小、传热系数高、单位体积换热面积大等特点，在微电子、航空航天等对换热设备尺寸、重量有特殊要求的场合中引起了极大的研究兴趣。围绕如何设计出结构紧凑、轻巧、高效的微型换热器，国内外学者进行了广泛的研究[1~7]。近年来国内开始了对微通道传热问题进行研究，如清华大学姜培学等对微槽式换热器和烧结网丝多孔式微型换热器的传热与流动性能进行

3、了实验研究，并对几种微型换热器的综[1][2][3][4]合性能进行了评价。上海交通大学、中科院、西安电子科技大学等单位也对进行了一些相关研究。但与国外相比，国内研究起步相对较晚，还处于不断发展中，采用以实验研究为主的研究手段。针对槽式微型换热器，建立三维模型，运用有限元软件ANSYS进行换热器工作状态下的传热仿真，得到相应的温度场和应力场分布。通过分析换热器稳态工况下的最高温度、最大温度梯度及最大热应力，比较纯铜（Cu）、铝（Al）和氮化硅（SiNx）三种材质换热器的性能。本文工作对于开发出高性能微型换热器具有一定参考价值。1.数值模型1.1物理模型槽式微型换热器三

4、维物理模型如图1所示。相关尺寸参数见表1。表1微型换热器结构参数Lch/mmWch/mmHch/mmW/mmWf/mmδ1/mmδ2/mm60.4260.30.50.5基金项目：上海市优秀青年教师科研专项基金资助项目（slg09001）。1.2传热模型换热器的满足导热方程，且满足图2给出的边界条件，即：1）通道内部表面为对流换热边界；2）换热器与芯片接触面，视为定热流；3）其他边界作为绝热处理。OutletWMHTElectricchipδ1LchyHchzδoBondedlayer2xInletoWchWfMicrochannel图1三维物理模型3∂∂T∑λ

5、=0(1)i=1∂∂xxii其中，x为坐标轴，i=1,2,3分别表示x，y和z方向；λ为导热系数；T为温度；q为热i流密度。T为冷却流体温度；h为对流换热系数可根据进行求解。fNu⋅λh=(2)dh式中，d为水力直径，Nu为努塞尔数。Nu的求解一直是微型换热器研究中重要内容，它h与雷诺数Re和普朗特数Pr等相关，不同的学者得到了许多不同的经验关系式。现采用式(3)进行计算，且流体为30℃的水。1313dchNu=1.86()RegPr(3)lchq=consthTf图2边界条件换热器在工作过程中，内部还会产生热应力，并发生变形，且应力与应变之间满足热弹

6、性平衡方程，即式(4)。µσε=+22GGΘ−α∆T(4)ixi1+µτ=Gγ(5)ijij式中，σ为正应力，τ为剪切应力，ε为正应变，γ为剪应变；E为弹性模量，µ为泊松系3E数，α为膨胀系数，剪切弹性模量G=，∆T为温升，体积应变Θ=∑σi。下标：21()+µi=1ij,1=,2,3分别表示x，y，z方向，但i≠j。此外，求解中还假设满足如下的约束条件u=0,x=0,W(6)xuy=0,=+0,Hδ+δ(7)ych12u=0,z=0,L(8)zch其中，u、u、u分别为x、y、z方向的位移。xyz1.3计算参数计算中三种材质的物性参数如表2所示。表2几种材质的物性参

7、数参数Cp/λ/E/µα/-1-1-1-1116-1材质J·kg·KW·m·K10Pa10KCu3864001.080.3217.50Al9022361.030.3017.90SiNx7031633.100.264.682.计算结果与分析已有研究表明，电子元器件工作时的温度每升高10℃，其使用寿命就会减半，温度若超过元器件或介质基板的承受极限就会发生热击穿或其他永久性的损坏。在芯片发热功率为5230W时，即热流密度q=8.33×10W/m。所得的计算结果如图3~5所示。由图3可知，各种换热器的最高温度随着冷却水流速的增大而减小，其中铜质换热器的最高温