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王硕林和陈鏐漪同学在《Journal of Thermal Analysis and Calorimetry》发表论文

发布日期:2020-06-15

在微型电子设备散热需求迅速增加的背景下,微通道热沉作为一种高效散热装置吸引了广泛的关注,大量研究致力于进一步提高热沉的冷却性能。然而多数研究显示作为冷却收益的换热性能和作为冷却成本的泵功消耗往往无法兼顾,一方面的优化常以另一方面的恶化为代价如复杂流道的设计在提高换热性能的同时,往往增加泵功消耗。这一矛盾成为限制热沉冷却性能提高的一个重要因素。因此急切需要一种新的思路来同时实现两者的优化。

基于上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王硕林同学作为第一作者,陈鏐漪同学作为第二作者,张本熙同学作为第作者,杨燕茹老师作为第作者,王晓东教授作为通讯作者,在化学领域国际期刊Journal of Thermal Analysis and Calorimetry上发表题目为“A new design of double-layered microchannel heat sinks with wavy microchannels and porous-ribs”的论文。该项工作提出“把双层波浪形通道热沉结构与多孔肋相结合”的改进设计,以期能结合波浪形通道提高换热性能和多孔肋降低泵功消耗的优势,综合提高热沉的冷却性能。

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论文概述

论文提出了“结合双层波浪形通道热沉结构与多孔肋”的微通道热沉改进设计。新设计由上下两层相同的波浪形微通道组成,用多孔肋片代替通道两侧传统的实心肋片,冷却剂在层通道中反向流动。为探究新设计的冷却性能,论文用商业计算流体软件构建三维流固耦合模型,对新设计与现有的三种设计(双层实心肋直通道、双层多孔肋直通道、双层实心肋波通道)的流动和传热特性进行数值模拟相同泵功条件下对比分析后发现,综合而言新设计对比其余三种设计具有明显的优势此外,论文还通过单参数分析探究了四个参数(通道波长λ、振幅A渗透kp、二次阻力系数CF对热沉冷却效果的影响。

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(图为文中四种微通道热沉设计结构示意图)


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(图中结果显示,在相同泵功下比较时,新设计均有最低或较低的热阻,综合而言其性能有明显优势)

论文主要得出了以下结论:(1)新设计在整个泵功范围内表现出最佳的冷却性能0.005 W≤Ω≤0.01 W低泵功范围内,冷却剂进口速度限制了热沉冷却性能的提高,因此多孔肋的减阻作用使得两种包含多孔肋片的设计有更低的热阻;在0.1 W≤Ω≤0.2 W的高泵功范围内,冷却剂流速较大,强化换热更能有效提高热沉的冷却性能,而波浪形通道增强了冷却剂的混合使两种波通道的设计拥有更低的热阻。而泵功适中两者优势都有较好的发挥,使得新设计具备最佳的冷却性能因此综合而言,新设计在较大范围内有同时提高换热性能和降低泵功消耗的作用,有良好的应用前景。(2)在0.05W泵功的约束条件下,为获得更低的热阻,新设计存在最佳波长和最佳振幅。而渗透二次阻力系数对热阻有单调的影响,增大多孔肋的渗透率或减小其二次阻力系数都可有效降低热阻。

论文得到了国家自然科学基金重点项目51936004),国家杰出青年科学基金51525602),国家自然科学基金创新研究群体科学基金51821004),中央高校基本科研业务费专项资金2017ZZD006的资助。


撰稿人:陈镠漪