【摘 要】
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随着微电子技术的快速发展,电子元器件的发展逐渐趋于小型化、集成化、智能化,同时芯片功率密度也急剧上升,为保证系统的正常运行,对高功率微小型器件的散热能力提出了更高要求。结构紧凑、轻巧、高效的微通道散热器技术成为解决微电子器件散热的有效途径。本文以电子芯片的散热需求为导向,设计出了不同翅片间距以及在通道内添加不同肋柱与孔洞组合的微通道散热器的几何结构,采用水作为冷却工质,在入口0.25LPM～1.5
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随着微电子技术的快速发展,电子元器件的发展逐渐趋于小型化、集成化、智能化,同时芯片功率密度也急剧上升,为保证系统的正常运行,对高功率微小型器件的散热能力提出了更高要求。结构紧凑、轻巧、高效的微通道散热器技术成为解决微电子器件散热的有效途径。本文以电子芯片的散热需求为导向,设计出了不同翅片间距以及在通道内添加不同肋柱与孔洞组合的微通道散热器的几何结构,采用水作为冷却工质,在入口0.25LPM～1.5LPM体积流量和加热功率325W的范围内对微通道散热器的内部流场分配和传热性能进行了数值模拟研究,分析不同散热器结构的内部流场情况,及对散热器总体换热性能的影响。主要研究内容及成果包括::（1）基于模型验证对照实验所使用的微通道散热器结构,确定微通道散热器的翅片数量为28个,矩形截面高度比为3mm,通道间隔为1mm,下方突起物与芯片接触的面积为28.7mm×28.7mm,确定入口、出口以及上下集箱的几何参数,从而确定微通道散热器的整体几何结构,满足芯片的散热性能要求。（2）在采用FLUENT求解器验证层流流动模型仿真结果准确、可靠的基础上,探索在入口0.25LPM～1.5LPM体积流量区间内,微通道散热器的内部流场情况与换热特性变化情况,得到了各通道的流量、底板最大温度及平均温度、换热量以及压力分布情况,分析流场不均匀分配因子（MF）、热阻(Rth)、总压降的参数变化。结果表明不同入口体积流量下MF在0.12～0.20区间,散热器底面平均温度在317K～334K区间,最大温度在321K～339K区间,热阻在0.060 K/W～0.095 K/W区间,散热器的压降在80 Pa～2020 Pa区间,散热器中部区域的通道流量要大于两侧区域通道,各通道换热量和Nu的变化规律与流量变化趋势相似。（3）通过设计七种不同的翅片宽度与通道宽度类型,模拟研究内部流场分配均匀情况,发现D、E、F结构的设计思路,即仅在中部通道（C10～C18）使用自正中间通道向两侧依次递增相同宽度尺寸的较细通道,更利于内部流场均匀分配,其中E结构中翅片宽度与通道宽度尺寸设计为散热器的内部流场均匀分配最佳配置。通过设计五种不同的通道内肋柱与孔洞布置结构类型,模拟研究散热器换热性能及通道压降情况,发现Ⅱ型结构具有较高的换热性能,同时保持较低的泵送压力和界面平均温度。Ⅱ型结构中肋柱与孔洞布置设计为散热器的适中压降与传热性能最佳配置。（4）通过在微通道散热器原始结构的基础上采用E型的通道、翅片宽度尺寸与Ⅱ型的肋柱、孔洞结构进行组合,构建新型微通道散热器结构。对通道质量流量、通道压降、通道换热量、通道Nu值、流量分配不均匀分子MF、热阻Rth、基底温度、整体压降等物理量进行了规律总结,分析了改变通道、翅片截面宽度与添加肋柱、孔洞组合对散热器内部流场流动和换热特性的影响。结果表明,不同入口体积流量（0.25LPM～1.5LPM）下,新型微通道散热器结构的各通道内质量流量的最大值与最小值之差最高仅达1×10~4kg/s,为初始结构的1/8,MF值为初始结构的9%～56.4%,基底最大温度降低6.4～8.8℃,基底平均温度降低7.1～10.1℃,Rth值是初始结构的74%～93%。研究表明新型微通道散热器因优化翅片宽度与间距以及增大流体与散热器间的换热面积的设计结构下,内部流场分配均匀且换热型性能优越。
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