El enfriamiento de microcanales es el grabado de canales a microescala en un sustrato. El calor es transportado por el fluido de trabajo que fluye en el microcanal después de haber sido conducido a través del sustrato. Es un método de enfriamiento eficiente y tiene grandes perspectivas de desarrollo en los campos de Refrigeración de chips electrónicos de ordenador , aeroespacial y otros campos. Desde que se propuso el concepto, los académicos nacionales y extranjeros lo han preocupado ampliamente, pero el mecanismo de transferencia de calor de los microcanales es relativamente complicado y aún no se ha aclarado. Para explorar las perspectivas de aplicación de la tecnología de enfriamiento de microcanales en el campo de la gestión térmica de dispositivos microelectrónicos, se analizó y evaluó la investigación existente.
1. Estructura de tamaño de microcanal
Los criterios para distinguir los canales a escala macro y micro son un tema muy importante. Esto no sólo afecta el diseño del canal de la investigación teórica, el ámbito de aplicación de la correlación, etc., sino que también tiene una importante importancia rectora para la selección y el procesamiento del tamaño del canal en aplicaciones prácticas. Los primeros estudiosos han llevado a cabo muchas investigaciones sobre la diferencia entre microcanales y canales convencionales. KANDLIKAR ofrece el rango de diámetro de diferentes tipos de canales en función del diámetro hidráulico. Sin embargo, el informe de THOME señala que no es del todo razonable distinguir las escalas micro y macro basándose únicamente en el tamaño del canal, sino que se deben considerar al mismo tiempo las propiedades del fluido. Porque hay muchos parámetros que cambian y afectan el flujo a medida que disminuye el diámetro del canal. Para distinguir los microcanales de los canales convencionales, algunos investigadores propusieron diferentes estándares para la definición de microcanales.
El método de división basado en el diámetro hidráulico del canal se muestra en la Tabla 1. Este método de división fue propuesto por LEE y KANDLIKAR et al. Esta norma considera de manera integral la aplicación de los intercambiadores de calor y la tecnología de fabricación mecánica en ese momento, y brinda las referencias correspondientes.
En la ebullición en flujo, el umbral del canal de macroescala al canal de microescala aún no ha formado un estándar generalmente aceptado. Algunos estudiosos han resumido los datos experimentales de flujo de dos fases de microcanales (100 μm ≤ D ≤ 4,2 mm) y varios fluidos de prueba (agua desionizada, FC-72, H2O, R11, etc.). Con base en el análisis de estudios relevantes, se concluye que el umbral del canal de macroescala al canal de microescala está relacionado con el diámetro de escape de las burbujas y la agregación de burbujas, y la definición del límite entre la macroescala y la microescala debe considerar el límite de las burbujas. Desde el punto de vista de la fuerza, el desprendimiento de burbujas en el flujo que hierve en un tubo está controlado por la tensión superficial y la flotabilidad. Algunos estudiosos han propuesto un método de división utilizando un número de restricción (Co, Número de Confinamiento). El número de Co representa el tamaño relativo de la tensión superficial y la gravedad en el canal. Cuando Co > 0,5, las características de flujo y transferencia de calor son significativamente diferentes de las observadas en canales grandes. Por tanto, Co > 0,5 puede considerarse como el estándar de división de microcanales. Este método de división para citar el número límite Co es un representante típico del método de división de microcanales juzgado por el análisis de fuerza de burbuja, y se propone en base a ciertas condiciones experimentales. Los estándares obtenidos en diferentes condiciones experimentales son diferentes, por lo que generalmente se utiliza como referencia para investigaciones teóricas en condiciones experimentales similares.
Actualmente, en el campo de las aplicaciones industriales, se cree ampliamente que los canales con un diámetro hidráulico D ≤ 1 mm pueden denominarse microcanales.
La estructura del microcanal tiene una gran influencia en el rendimiento de transferencia de calor del microcanal. El diseño razonable de la geometría de microcanales es la clave para mejorar la transferencia de calor. Los académicos han realizado muchas investigaciones sobre estructuras de microcanales, involucrando diferentes fabricaciones de microcanales, patrones de flujo, características de caída de presión y características de transferencia de calor bajo diferentes estructuras de canales.
A partir de la primera estructura de canales de silicio multicanal paralelos propuesta, la gente ha estudiado la estructura y la forma de varios microcanales para mejorar su rendimiento de transferencia de calor. En términos de formas de sección transversal de microcanales, los académicos han explorado microcanales con formas de sección transversal como circular, triangular, rectangular y trapezoidal, y han analizado el rendimiento de la disipación de calor bajo diferentes formas de sección transversal. Se encontró que la diferencia en la forma de la sección transversal tiene una gran influencia en el rendimiento de disipación de calor. Además de las secciones transversales de forma regular, los científicos también han estudiado estructuras de forma irregular, como un microcanal cóncavo en la sección transversal, llamado BCT (tecnología de canal enterrado). Fabricado utilizando tecnología de procesamiento de canales enterrados sobre un sustrato de silicio. La profundidad y el ancho de la ranura son 75 μm y 5 μm respectivamente, lo que proporciona una nueva ruta para el flujo de fluido en el microcanal. Algunos estudiosos propusieron un nuevo tipo de microcanal con ranuras cóncavas Ω en la pared lateral, con un tamaño geométrico de 200 μm × 253 μm. Los canales no están conectados entre sí. Los resultados experimentales muestran que los microcanales con ranuras pueden promover la nucleación de burbujas y aumentar significativamente el flujo de calor crítico. Ayuda a aliviar la inestabilidad del rápido crecimiento de burbujas y alivia la inestabilidad de la ebullición de fluidos. Algunos estudiosos han diseñado un microcanal poroso reentrante con microcanales en forma de Ω utilizando tecnología de sinterización de polvo, que se denomina RPM (microcanales porosos reentrantes). Diámetro hidráulico 786 μm. Los experimentos muestran que la estructura puede mejorar en gran medida el rendimiento de transferencia de calor del flujo monofásico y bifásico de microcanales, y puede reducir la inestabilidad del flujo bifásico. Algunos estudiosos llevaron a cabo análisis numéricos tridimensionales y optimización de los parámetros de las ranuras de las paredes laterales del microcanal y obtuvieron una ranura trapezoidal con una relación de longitud de la punta de la ranura de 0,5. El microcanal con una relación de profundidad de ranura de 0,4, una relación de paso de ranura de 3,334 y una relación de dirección de ranura de 0 tiene el mejor rendimiento de transferencia de calor y una resistencia mínima al flujo. Para mejorar el flujo dentro del microcanal y mejorar el rendimiento de la transferencia de calor, los investigadores también han diseñado muchos intercambiadores de calor de microcanal con diferentes formas de canal de flujo, como forma corrugada, forma de aleta de pasador, aleta oblicua cilíndrica, aleta escalonada, aleta doble, etc. Intercambio de calor de microcanal como capas e intercambiadores de calor de microcanal con pequeñas cavidades, etc. Los académicos también han realizado investigaciones sobre algunos canales de flujo de estructura especial y han descubierto que el uso de algunos canales de flujo de estructura especial puede tener el efecto de mejorar transferencia de calor. Por ejemplo, se mejora el microcanal lineal y se propone el microcanal de onda de sección transversal rectangular. Los resultados de la simulación monofásica muestran que el microcanal ondulado puede generar corrientes parásitas, mejorar el coeficiente de transferencia de calor por convección y tener una caída de presión menor que el microcanal lineal. Este estudio también muestra que el cambio de amplitud relativa a lo largo de la dirección del flujo no tiene mucho impacto en la compacidad y eficiencia del microcanal. Reducir la longitud de onda del microcanal de onda puede hacer que la distribución de temperatura del equipo sea más uniforme y reducir la generación de sobrecalentamiento local. Se fabricaron tres tipos de redes de microcanales interconectados porosos mediante sinterización de polvo de cobre y mecanizado por descarga eléctrica de alambre. En la prueba, se concluye que el microcanal interconectado poroso de 0,4 mm tiene el mejor rendimiento de transferencia de calor y la capacidad de aliviar la inestabilidad del flujo bifásico. Además, algunos estudiosos han diseñado topologías de microcanales biónicos, como la topología de microcanales de venas de hojas, la topología de árboles de tráquea humana, la topología de telaraña, la estructura de redes fluviales, la estructura de panal y la estructura de venas de alas de insectos.
Según los resultados del cálculo numérico, en comparación con el chip rectangular, a excepción de la estructura de la red fluvial, la estructura topológica de cada microcanal biomimético tiene una mayor capacidad de disipación de calor que el microcanal plano rectangular ordinario. Y con el aumento de la densidad del flujo de calor del chip, la diferencia en la capacidad de disipación de calor de varias estructuras de microcanales es más obvia. Por lo tanto, en la aplicación de chips de alta densidad de flujo de calor, la topología de microcanal tiene una gran influencia en el efecto de disipación de calor del chip. Según los experimentos, se ha descubierto que la estructura de tela de araña tiene las ventajas de una gran superficie específica de disipación de calor, un alto coeficiente de transferencia de calor por convección promedio y un buen rendimiento de flujo de fluido. Su rendimiento integral de disipación de calor es óptimo y la caída de presión de entrada y salida es menor, lo que tiene un buen valor de aplicación de ingeniería.
Una extensa investigación sobre la estructura de microcanales ha demostrado el excelente potencial de disipación de calor y las amplias perspectivas de desarrollo de la tecnología de enfriamiento de microcanales, y también sentó una base sólida para una mayor popularización y aplicación de la posterior tecnología de enfriamiento de microcanales. Además de la estructura de tamaño, el cambio de fase del fluido en el canal también es uno de los factores importantes que afectan la capacidad de disipación de calor del microcanal. Según si la fase del fluido cambia o no, la tecnología de microcanales se puede dividir en dos tipos: enfriamiento monofásico de microcanales y enfriamiento por ebullición de flujo de microcanales (bifásico). A continuación se revisan y analizan los estudios existentes sobre microcanales monofásicos y bifásicos.
2. microcanal monofásica refrigeración de Tecnología de
El enfriamiento monofásico significa que el medio refrigerante permanece en el mismo estado (generalmente líquido) durante todo el proceso de enfriamiento, sin ebullición ni condensación. En comparación con el dispositivo (sistema) de enfriamiento monofásico de escala convencional, el dispositivo (sistema) de enfriamiento monofásico de microcanal tiene un área de transferencia de calor más grande y un efecto de microescala bajo el mismo volumen, y el rendimiento general de disipación de calor es más fuerte. Se puede ver que el agua es el foco de la investigación experimental monofásica de microcanales. En la actualidad, existen grandes expectativas para la aplicación de la tecnología de refrigeración por microcanales en el campo de la refrigeración de chips electrónicos. Por lo tanto, muchos estudios experimentales utilizan directamente chips electrónicos como fuentes de calor para analizar el rendimiento de transferencia de calor de los disipadores de calor de microcanales. La mayoría de las longitudes de microcanales probadas en experimentos están en el rango de 10 a 20 mm.
Por el contrario, existen pocos estudios sobre productos de módulos IGBT modulares. El tamaño total del módulo del paquete IGBT es relativamente grande en comparación con los chips electrónicos de computadora. Generalmente es necesario diseñar microcanales con una longitud superior a 50 mm, lo que resulta desfavorable para la refrigeración monofásica. Debido a que un canal más largo provocará una mayor diferencia de temperatura entre la entrada y la salida, puede aumentar el riesgo de fuga térmica del módulo del paquete IGBT debido a una temperatura desigual. Este es un problema que no se puede ignorar cuando se aplica la tecnología de enfriamiento monofásico de microcanales a la gestión térmica de los IGBT. Algunos académicos han llevado a cabo investigaciones sobre este tema, como el desarrollo de un radiador de enfriamiento líquido de microcanales con cámara de vapor integrada para IGBT de alta potencia con el fin de mejorar la uniformidad de temperatura del enfriamiento monofásico de microcanales. Integre el disipador de calor de microcanales con la cámara de vapor. Al comparar el disipador de calor de microcanales integrado con el disipador de calor de microcanales simple, se verifica el excelente rendimiento integral del disipador de calor de microcanales integrado. Esto proporciona información importante sobre la aplicación de disipadores de calor de refrigeración monofásicos de microcanales para la gestión térmica de IGBT de alta potencia.
3. Tecnología de enfriamiento por ebullición de flujo de microcanales (dos fases)
El enfriamiento por ebullición por flujo (bifásico) es principalmente un método de enfriamiento en el que se extrae calor a través de la absorción de calor de transición de fase durante la ebullición por flujo de fluido. Basándose en las características de transferencia de calor del flujo de ebullición y el efecto de microescala de los microcanales, el enfriamiento por flujo de ebullición en microcanales tiene las ventajas de una estructura compacta del radiador, una gran capacidad de transferencia de calor, un alto coeficiente de transferencia de calor, una buena uniformidad de temperatura y una menor carga de fluido de trabajo. . El uso de enfriamiento por ebullición de flujo de microcanales es una de las excelentes soluciones potenciales para aliviar la gran diferencia de temperatura entre la entrada y la salida en el enfriamiento monofásico. Algunos de los resultados de la investigación de aplicaciones del enfriamiento por ebullición de flujo de microcanales en el campo de la gestión térmica de IGBT son los siguientes. Con el objetivo de la transferencia de calor de ebullición del flujo de microcanales bajo la condición de gran tamaño y alta densidad de flujo de calor del módulo IGBT, se estudió experimentalmente la influencia de diferentes direcciones de calentamiento en la transferencia de calor de ebullición del flujo de microcanales con R134a como medio de enfriamiento. Los resultados de la investigación muestran que existen dos mecanismos de transferencia de calor en el microcanal: ebullición nucleada y ebullición convectiva forzada. El rendimiento de transferencia de calor del calentamiento inferior es mejor que el del calentamiento superior. Y el caudal másico del fluido en el canal y la densidad del flujo de calor de la superficie de calentamiento tienen una influencia importante en la temperatura de la pared del microcanal y el coeficiente de transferencia de calor. La investigación también resume la correlación de transferencia de calor modificada basada en los datos experimentales, que puede predecir con precisión el coeficiente de transferencia de calor cuando se calienta la parte superior, con un error promedio del 16,6%. Algunos académicos han establecido sistemas experimentales de enfriamiento con energía de circulación natural y energía de circulación forzada adecuados para módulos IGBT. Se exploraron las características de arranque y transferencia de calor del sistema de enfriamiento de circulación natural de la unidad de microcanal, las características y reglas de transferencia de calor de ebullición del flujo de R134a en el microcanal, la transformación del patrón de flujo de R134a y la transformación del mecanismo de transferencia de calor en el microcanal. La estructura del microcanal se optimizó en base a datos experimentales e investigaciones teóricas. En la actualidad, existen pocos estudios relacionados sobre la aplicación del enfriamiento por ebullición de flujo de microcanales a la disipación de calor de módulos IGBT. Falta investigación sobre el diseño estructural del disipador de calor de ebullición de flujo de microcanales con una estructura de mayor tamaño para el módulo IGBT, una longitud de canal más larga, el efecto de disipación de calor real y la selección del caudal másico bajo diferentes densidades de flujo de calor. El efecto real del enfriamiento por ebullición del flujo de microcanales sobre el efecto de disipación de calor y la mejora de la uniformidad de la temperatura del módulo IGBT necesita más investigación y verificación.
Aunque hay pocos estudios sobre la aplicación de la ebullición por flujo de microcanales a los campos relacionados con la disipación de calor de IGBT, los académicos han llevado a cabo investigaciones exhaustivas sobre el mecanismo de transferencia de calor y los factores que afectan el rendimiento de la transferencia de calor de la transferencia de calor por ebullición por flujo de microcanales y han logrado ciertos resultados de investigación.
La transferencia de calor por ebullición por flujo de microcanales es más complicada que la transferencia de calor por flujo monofásico y existen muchos factores que influyen. La dirección de la investigación es amplia e involucra la evolución del patrón de flujo de transferencia de calor en ebullición, la dinámica de las burbujas, la transferencia de calor en ebullición y las características de la transferencia de calor, la confiabilidad de la transferencia de calor y la investigación de la estabilidad del flujo. La transferencia de calor en ebullición tiene la interacción entre burbujas y líquido. Hay diferentes patrones de flujo dentro del canal, y diferentes patrones de flujo afectarán directamente el efecto de transferencia de calor en la superficie del microcanal, lo que plantea grandes desafíos para el estudio del mecanismo de transferencia de calor. La transferencia de calor por ebullición en canales de escala regular se ve afectada por dos mecanismos básicos. Uno es el mecanismo dominante de ebullición nucleada relacionado con la formación de burbujas en la superficie de la pared y la dinámica de las burbujas. El otro es un mecanismo dominado por la convección relacionado con la conducción y la convección a través de la película líquida. Los resultados de la investigación existente sobre el rendimiento de la transferencia de calor de los microcanales muestran que la transferencia de calor en ebullición del flujo en los microcanales también tiene la influencia de estos dos mecanismos de transferencia de calor. El mecanismo dominante de ebullición nucleada depende en gran medida del flujo de calor, mientras que el mecanismo dominante convectivo depende en gran medida del caudal másico. La acción combinada de los dos mecanismos hace que las características de transferencia de calor de la ebullición en flujo sean muy complicadas. Además de la influencia de la microescala, la mayoría de las correlaciones tradicionales de transferencia de calor en flujo de ebullición no son suficientes para predecir la transferencia de calor en flujo de ebullición en canales de microescala. Es difícil obtener una descripción unificada del mecanismo de transferencia de calor bajo diferentes fluidos de trabajo, diferentes estructuras de canales y diferentes patrones de flujo, y se necesita más investigación. Se resumen los resultados de la investigación experimental del enfriamiento por ebullición por flujo de microcanales. Los académicos han llevado a cabo una gran cantidad de estudios experimentales con diferentes fluidos de trabajo, diferentes números de canales y diferentes condiciones de trabajo. La ley proporciona una base experimental sólida.
En general, la mayor parte de la investigación actual tiene como objetivo principal explorar el mecanismo de transferencia de calor. Muchos académicos han estudiado las características de transferencia de calor y el mecanismo de la ebullición del flujo de microcanales en forma de calentamiento uniforme. Sin embargo, la diferencia entre la escena de calentamiento uniforme y la escena de calentamiento no uniforme, como el módulo IGBT, hace que las características de transferencia de calor del disipador de calor de ebullición de flujo de microcanal correspondiente y los factores a considerar en el diseño puedan ser diferentes. Además, la complejidad del mecanismo de transferencia de calor de la ebullición en flujo de microcanales aún hace imposible sacar conclusiones claras y convincentes. Las características de la transferencia de calor por ebullición en flujo de microcanales son diferentes bajo diferentes fluidos de trabajo, diferentes estructuras de canales, diferentes escenarios de aplicación y condiciones experimentales. Al mismo tiempo, el diseño de disipación de calor del módulo IGBT no solo presta atención a la uniformidad de temperatura entre los chips internos, sino que también debe considerar la relación entre la distribución de temperatura de diferentes chips y las posiciones relativas de la entrada y salida, la longitud razonable del microcanal y el secado parcial del fluido en el microcanal. fenómeno y otras cuestiones. La solución de estos problemas será la clave para una mayor popularización y aplicación del enfriamiento por ebullición por flujo de microcanales en el campo de la gestión térmica de módulos IGBT.
