【焦点】微通道热交换 l 增材制造高性能微通道换热器模块化单元传热与压损实验… l 上海交大…

| 3DScienceValley · 2024/05/20

谷专栏

通过3D打印-增材制造技术，特别是选区激光熔化金属3D打印技术（SLM）带来了下一代热交换器的制造，譬如以热管形式的针状翅片代替了常规针状翅片板式热交换器中的针状翅片。当前的针翅式热交换器适用于各种各样的热管类别，包括回路热管、毛细管泵热管、脉动热管、可变电导率热管、旋转热管和吸附热管。

本期，通过聚焦近期国内在微通道热交换器增材制造及设计方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

增材制造高性能微通道换热器
模块化单元传热与压损实验

吕玥萱、肖克华、饶宇
上海交通大学机械与动力工程学院

摘要：

面向微型燃气轮机能效提升迫切需求，针对其回热循环工况设计了一款适合应用增材制造技术加工的高性能微通道回热器。结合逆流式换热器的基础研究与金属增材制造的特点，设计了模块化的波纹板微通道换热器单元，采用激光选区熔融技术(SLM)完成不锈钢样机加工，并使用自行搭建的实验系统对其进行了性能测试。样件具有52个高度为0.7 mm的换热微通道，紧凑度超过1700 m2/m3。实验测试表明，该增材制造换热器在相对压损小于2%的条件下，平均Nu数相比传统方式加工的平板原表面换热器可提升88.9%，其关键性能参数在现有紧凑式换热器中具有先进性。

电力电子器件用液冷
针翅散热器的研究进展

田小飞1,2,3王林山1,2,4,3,5梁雪冰1,2,4,3,5郑逢时1,2,4,3,5胡强1,2,4,3,5
1.中国有研科技集团有限公司金属粉体材料产业技术研究院2. 有研增材技术有限公司 3. 北京有色金属研究总院4. 有研粉末新材料股份有限公司5. 北京市金属粉末工程技术研究中心

摘要：

随着大功率电力电子器件（如绝缘栅双极型晶体管，IGBT）轻量化、小型化和集成化的发展需求，其功率密度越来越大，导致其热流密度越来越高，亟需高效散热来满足其使用要求。传统空气冷却散热器结构简单、使用方便，但是散热能力较低，难以满足高热流密度的散热需求，目前主要采用液体冷却散热器，其中液冷针翅散热器是最常用的高效散热方式。本文介绍了液冷针翅散热器的结构、液体工质、材料和制造等方面的研究进展，重点分析了液冷针翅散热器的流体通道结构、针翅结构对流动和传热性能的影响，并给出了液冷针翅散热器的发展建议。

带肋复合微通道换热器内
流动传热性能研究

赵浩腾、崔凯路、张子涛、吴越、何坤、晏鑫
西安交通大学能源与动力工程学院

摘要：

为探究微肋与二次通道复合结构对微通道换热器流动换热性能增强的影响机理，采用数值方法研究了不同雷诺数下6种带肋复合微通道换热器内的压降、流场结构、摩擦系数、基底温度、相对努赛尔数和综合流动换热性能，并与矩形光滑微通道和无肋二次通道微通道的流动换热性能进行了对比。研究表明：在流动特性方面，引入二次通道结构对微通道内的压降损失和相对摩擦系数没有影响；但引入微肋结构会产生节流效应并诱发漩涡结构，导致微通道内的压降损失增大3～10倍。在传热特性方面，引入二次通道结构能够强化换热，在二次通道结构基础上增加微肋结构能进一步增强微通道换热器的传热性能。相比于矩形光滑微通道和无肋二次通道微通道，复合微通道换热器的基底温度最高下降13.52 K，相对努塞尔数最高增大35.36%。在综合性能方面，对于所研究的6种带肋复合微通道换热器，前三角肋复合微通道具有最优的流动传热综合性能，并具有高流速、低泵功、低热阻等优点。

微通道换热器
拓扑结构优化与性能研究

陈彦松、阮达、刘渊博、郑通、张帅帅、马学虎
辽宁省化工资源清洁利用重点实验室

摘要：

换热器结构拓扑优化可将传热强化设计问题转化为数学优化问题进行求解，对于设计新颖高效换热器具有重要价值。然而，拓扑优化数学模型难以直接解释优化结果的几何特征及相应强化机理。以传热量为目标，对微通道换热器进行拓扑优化设计，研究了不同参数对换热器强化结构特征和换热器性能的影响。结果表明，拓扑优化换热器的通道结构呈现多级分叉构型，分叉的数量随着入口Re数、翅片传热效率和流体Pr数的增大而增多。在此基础上，采用(火积)耗散和边界层理论分析了拓扑优化分叉通道与流体边界层厚度的内在联系，为换热器结构强化设计提供了新的思路。

电子芯片弹热制冷式
热控系统的数值模拟

赵志明1刘奇1蒋翔俊2董兴琨2邹吾松3张笑凡3
1.陕西科技大学机电工程学院2. 西安电子科技大学机电工程学院3. 中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所

摘要：

电子行业的迅猛发展使电子设备的热流密度急剧攀升。高效的散热方法，能够显著降低设备的工作温度，提升其性能并延长使用寿命。为进一步降低芯片的最高使用温度，提出一种基于形状记忆合金(SMA)弹热效应的电子芯片热控方法，即将卸载过程中产生的冷能通过流体介质输送至具有良好散热性能的电子芯片微通道散热器热控系统中。利用FLUENT软件，分析三维条件下系统的传热特性。

结果表明：冷却后的传热流体进一步降低芯片的最高温度达5.5 K，微通道散热器性能提高约10.7%。经参数分析发现，提高制冷系统的循环频率和冷却液体积流量可以显著提高其制冷能力，循环频率为0.25 Hz和0.33 Hz时分别可提高68%和92%。

歧管式射流微通道
液冷散热性能研究

刘帆1张芫通2陶成1胡成玉2杨小平2魏进家2
1.中兴通讯股份有限公司2. 西安交通大学化学工程与技术学院

摘要：

随着信息技术进步，芯片向大面积、高功率方向发展，对热管理提出了严峻挑战。微通道液冷能够解决高功率芯片散热难题，但传统平直微通道热沉流阻大、温度均匀性差。本文提出了一种耦合歧管式进出液结构、分布式射流和微针翅的新型歧管式微通道散热器，在平均热通量高于330 W/cm2，总功率达到2500W时，芯片平均温度低于70℃，实现了高效散热。通过数值模拟发现：降低散热器射流腔高度可显著强化传热，但整体压降也随之陡升，存在一个最佳射流腔高度；散热器底板的微针翅尺寸及其与射流腔的相对尺寸是新型歧管式微通道散热器的重要结构参数，微针翅的存在并不是绝对有益于传热强化。定义了微针翅与射流腔之间相对高度的无量纲参数—翅占比，存在临界翅占比使得阻碍效应和强化效应相抵消，当翅占比高于这一临界值时，才能达到强化换热的效果。研究为新型歧管式微通道散热器的设计提供了指导。

微通道散热器结构
的拓扑优化设计

朱建全
东北电力大学

摘要：

微通道散热器其结构简单,易于封装且具有高效的换热能力等特点被广泛的应用在航天、航空、医学器材以及微小电子设备领域。但是随着电子设备在微小体积内集成程度的逐渐升高,其高热流密度对电子设备的安全高效运行提出了更严格的考验。对于更高的热流密度和更小的散热空间问题已经成为了电子设备高效率散热技术面临的难题之一。为了保证微电子设备在工作中的稳定性和可靠性,高效且可靠的设计方案显得尤为重要。因此,本文采用拓扑优化设计的方法应用于微通道散热器的结构设计中,基于有限元法分析流固共轭传热过程,建立多目标拓扑优化模型,对不同进出口方式和不同入口条件的散热问题进行了拓扑优化设计及数值仿真分析,并进行三维模型构建,进而验证其有效性。主要包括以下几部分内容:首先,构建了四种不同单进口-单出口布置方式的几何模型,以平行进出口布置方式为例探究流体体积分数占比对拓扑优化构型的影响,进而以最佳的流体体积分数占比为约束进行后续的计算。然后,采用不同的雷诺数为变量,以最大化换热为目标函数,求解了均匀热源分布下通道的优化设计问题,得到了清晰的通道结构。接下来对换热性能最好的两种进出口布置方式以换热量最大化和流体能量耗散最小化为双目标函数进行加权。

结果表明:随着权重系数值的不断增大,整个设计域的平均温度逐渐降低,与此同时进出口压降却随之增大。其次设计了四种双进口-双出口布置方式的微通道换热器,分别以换热量最大化作为单目标函数以及换热量最大和流体能量耗散为双目标函数进行拓扑优化。以不同的雷诺数为变量,求解了均匀热源下通道分布的优化设计问题,得到换热性能最优的两种结构。对上述换热性能最优的两种结构采用双目标函数加权方法进行拓扑优化。结果表明:随着权重系数的逐渐增大,设计域内的流道分支结构逐渐增多,流道宽度变窄,换热面积增大,使得设计域平均温度降低,与此同时进出口压降也显著增大,这是因为在优化过程中换热量所占比重增加时,必须以压降损失为代价。

最后,为了验证利用拓扑优化方法得到模型的换热性能,选取双对角平行进出口布置方式结构在权重系数值取0.4时的通道结构模型,将其构建成三维流道结构。通过数值仿真计算与传统直通道进行对比,通过分析压降、努塞尔数、热阻及设计域最高温度效果。结果表明:在相同入口流速下,拓扑优化构型的平均温度、最高温度,热阻均低于传统直通道,努塞尔数高于传统直通道。另外,其压降也小于传统直通道。因此利用拓扑优化设计方法得到的流道结构综合换热性能更优。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。