IGBTにおけるマイクロチャネル冷却の応用研究

マイクロチャネル冷却は、基板上にマイクロスケールのチャネルをエッチングすることです。熱は、基板を通って伝導された後、マイクロチャネル内を流れる作動流体によって運び去られます。効率的な冷却方法であり、次の分野で大きな発展が期待されています。 電子コンピュータチップ冷却、航空宇宙およびその他の分野。この概念が提唱されて以来、国内外の学者によって広く注目されてきましたが、マイクロチャネルの熱伝達メカニズムは比較的複雑であり、まだ解明されていません。マイクロ電子デバイスの熱管理分野におけるマイクロチャネル冷却技術の応用の可能性を探るために、既存の研究を分析し、評価しました。

1. マイクロチャネルのサイズ構造

マクロスケールとミクロスケールのチャネルを区別する基準は非常に重要なトピックです。これは、理論研究のチャネル設計、相関関係の適用範囲などに影響を与えるだけでなく、実際のアプリケーションにおけるチャネル サイズの選択と処理にとって重要な指針となる重要性もあります。初期の学者は、マイクロチャネルと従来のチャネルの違いについて多くの研究を行ってきました。 KANDLIKAR は、水力直径に基づいてさまざまなタイプのチャネルの直径範囲を示します。しかし、THOME レポートは、流路サイズのみに基づいてミクロスケールとマクロスケールを区別するのは完全に合理的ではなく、流体の特性も同時に考慮する必要があると指摘しました。チャネル直径が減少するにつれて、変化し、流れに影響を与えるパラメータが多数あるためです。マイクロチャネルを従来のチャネルと区別するために、一部の研究者はマイクロチャネルの定義について異なる基準を提唱しています。

流路水力直径に基づく分割方法を表 1 に示します。この分割方法は、LEE および KANDLIKAR らによって提案されました。この規格は、当時の熱交換器の用途と機械製造技術を包括的に考慮し、対応する参考文献を提供します。

流動沸騰では、マクロスケール チャネルからマイクロスケール チャネルへの閾値は、まだ一般に受け入れられる基準を形成していません。一部の学者は、マイクロチャネル (100 μm ≤ D ≤ 4.2 mm) とさまざまな試験流体 (脱イオン水、FC-72、H2O、R11 など) の二相流実験データをまとめています。関連する研究の分析に基づいて、マクロスケールのチャネルからミクロスケールのチャネルへの閾値は気泡の脱出直径と気泡の凝集に関連しており、マクロスケールとミクロスケールの境界の定義には気泡の限界を考慮する必要があると結論付けられています。力の観点から見ると、管内で沸騰する流れにおける気泡の離脱は、表面張力と浮力によって制御されます。一部の学者は制限番号（Co、Confinement Number）を用いた分割方法を提案しています。 Co 数は、チャネル内の表面張力と重力の相対的な大きさを表します。 Co > 0.5 の場合、熱伝達と流れの特性は、大きなチャネルで観察されるものとは大きく異なります。したがって、Co > 0.5 がマイクロ流路の分割基準と考えられます。この限界数Coを引用する分割方法は、気泡力解析により判定されるマイクロ流路の分割方法の代表的なものであり、一定の実験条件に基づいて提案されたものである。異なる実験条件下で得られる標準は異なるため、一般に、同様の実験条件下での理論的研究の参考として使用されます。

現在、産業用途の分野では、水力直径 D ≤ 1 mm のチャネルをマイクロチャネルと呼ぶことができると広く考えられています。

マイクロチャネルの構造は、マイクロチャネルの伝熱性能に大きな影響を与えます。合理的なマイクロチャネル形状設計が熱伝達を向上させる鍵となります。学者らは、さまざまなマイクロチャネル構造、さまざまなチャネル構造の下でのさまざまなマイクロチャネルの製造、流れパターン、圧力降下特性、熱伝達特性など、マイクロチャネル構造について多くの研究を行ってきました。

最も初期に提案された並列マルチチャネルシリコンチャネル構造から始まり、熱伝達性能を向上させるためにさまざまなマイクロチャネルの構造と形状が研究されてきました。マイクロチャネルの断面形状に関して、学者は円形、三角形、長方形、台形などの断面形状のマイクロチャネルを研究し、さまざまな断面形状の下での放熱性能を分析してきました。断面形状の違いが放熱性能に大きく影響することが分かりました。規則的な形状の断面に加えて、学者らは、BCT（埋め込みチャネル技術）と呼ばれる、断面の凹型マイクロチャネルなどの不規則な形状の構造も研究してきました。シリコン基板上の埋め込みチャネル加工技術を使用して製造されています。溝の深さと幅はそれぞれ75μmと5μmで、マイクロチャネル内の流体の流れに新しい経路を提供します。一部の学者は、側壁に凹状のΩ溝を備え、幾何学的サイズが 200 μm × 253 μm の新しいタイプのマイクロチャネルを提案しました。チャンネルは互いに接続されていません。実験結果は、溝のあるマイクロチャネルが気泡の核生成を促進し、臨界熱流束を大幅に増加できることを示しています。これは、急速な気泡成長の不安定性を軽減し、流体の沸騰の不安定性を緩和します。一部の学者は、粉末焼結技術を使用して、Ω型マイクロチャネルを備えた再入可能多孔質マイクロチャネルを設計しました。これは、RPM (reentrantporous microchannels) と呼ばれます。油圧直径786μm。実験によれば、この構造はマイクロチャネル単相流および二相流の熱伝達性能を大幅に向上させ、二相流の不安定性を軽減できることが示されています。一部の学者は、マイクロ流路の側壁溝のパラメータについて三次元数値解析と最適化を実施し、溝先端長さ比が0.5の台形溝を得た。溝の深さの比が 0.4、溝のピッチの比が 3.334、溝の方向の比が 0 のマイクロチャネルは、最高の熱伝達性能と最小の流れ抵抗を示します。マイクロチャネル内の流れを改善し、熱伝達性能を向上させるために、研究者は、波形、ピンフィン形、円筒形斜フィン、千鳥フィン、ダブルフィンなどのさまざまな流路形状を備えた多くのマイクロチャネル熱交換器を設計しました。層状のマイクロチャネル熱交換器や小さな空洞を備えたマイクロチャネル熱交換器など。また、いくつかの特殊な構造の流路について研究が行われ、いくつかの特殊な構造の流れを使用することができることがわかりました。チャネルには熱伝達を高める効果がある可能性があります。例えば、線状マイクロ流路を改良し、断面が矩形波状のマイクロ流路が提案されている。単相シミュレーション結果は、波形マイクロチャネルが渦電流を生成し、対流熱伝達係数を向上させ、線形マイクロチャネルよりも圧力降下が小さいことを示しています。この研究は、流れの方向に沿った相対的な振幅の変化がマイクロチャネルのコンパクトさと効率にあまり影響を与えないことも示しています。ウェーブマイクロチャネルの波長を短くすると、機器の温度分布がより均一になり、局所的な過熱の発生を減らすことができます。 3 種類の多孔質相互接続マイクロチャネル ネットワークを銅粉末焼結とワイヤ放電加工によって作製しました。このテストでは、0.4 mm の多孔質相互接続マイクロチャネルが最高の熱伝達性能と二相流の不安定性を緩和する能力を備えていると結論づけられました。さらに、葉脈マイクロチャネルトポロジー、人間の気管樹木トポロジー、クモの巣トポロジー、河川ネットワーク構造、ハニカム構造、昆虫の羽脈構造などのバイオニックマイクロチャネルトポロジーを設計した学者もいます。

数値計算結果によると、河川網構造を除いて、長方形のチップと比較して、各生体模倣マイクロチャネルのトポロジカル構造は、通常の長方形の平らなマイクロチャネルよりも強い放熱能力を持っています。また、チップの熱流束密度が増加するにつれて、さまざまなマイクロチャネル構造の熱放散能力の違いがより明らかになります。したがって、高熱束密度チップのアプリケーションでは、マイクロチャネルトポロジーがチップの放熱効果に大きな影響を与えます。実験によれば、スパイダーウェブ構造は、大きな放熱比表面積、高い平均対流熱伝達係数、および良好な流体流動性能という利点を有することが判明した。その総合的な放熱性能は最適であり、入口と出口の圧力降下が低く、優れた工学的応用価値があります。

マイクロチャネル構造に関する広範な研究により、マイクロチャネル冷却技術の優れた放熱可能性と幅広い発展の可能性が実証され、その後のマイクロチャネル冷却技術のさらなる普及と応用のための強固な基盤も築かれました。サイズ構造に加えて、チャネル内の流体の相変化の有無も、マイクロチャネルの放熱能力に影響を与える重要な要素の1つです。流体の相変化の有無により、マイクロチャネル技術はマイクロチャネル単相冷却とマイクロチャネル流沸騰（二相）冷却の2種類に分類できます。以下では、単相および二相マイクロチャネルに関する既存の研究をレビューし、分析します。

2. マイクロ 単相 冷却​ 技術チャネル

単相冷却とは、冷却媒体が沸騰や凝縮せずに、冷却プロセス全体を通じて同じ状態 (通常は液体) に留まることを意味します。従来のスケール単相冷却装置（システム）と比較して、マイクロチャネル単相冷却装置（システム）は、同じ体積の下でより大きな伝熱面積とマイクロスケール効果を有し、全体的な放熱性能がより強力です。マイクロチャネル単相実験研究では水が焦点となっていることがわかります。現在、電子チップ冷却分野におけるマイクロチャネル冷却技術の応用に大きな期待が寄せられています。したがって、多くの実験研究では、マイクロチャネル ヒートシンクの熱伝達性能を分析するために、熱源として電子チップを直接使用しています。実験でテストされたマイクロチャネルの長さのほとんどは 10 ～ 20 mm の範囲です。

対照的に、モジュール型 IGBT モジュール製品に関する研究はほとんどありません。 IGBT パッケージ モジュールの全体のサイズは、コンピューターの電子チップに比べて比較的大きくなります。通常、50 mm を超える長さのマイクロチャネルを設計する必要がありますが、これは単相冷却には不利です。流路が長くなると入口と出口の温度差が大きくなるため、温度ムラによるIGBTパッケージモジュールの熱暴走リスクが高まる可能性があります。これは、マイクロチャネル単相冷却技術をIGBTの熱管理に適用する場合、無視できない問題となります。一部の学者は、マイクロチャネル単相冷却の温度均一性を高めるために、高出力 IGBT 用の統合蒸気チャンバー マイクロチャネル液体冷却ラジエーターを開発するなど、この問題に関する研究を行っています。マイクロチャネルヒートシンクをベーパーチャンバーと一体化。統合型マイクロチャネル ヒートシンクと単純なマイクロチャネル ヒートシンクを比較することで、統合型マイクロチャネル ヒートシンクの優れた総合性能が検証されます。これは、高出力 IGBT の熱管理のためのマイクロチャネル単相冷却ヒートシンクのアプリケーションに関する重要な洞察を提供します。

3. マイクロチャネル流沸騰（二相）冷却技術

流動沸騰（二相）冷却は、主に流体流動沸騰時の相転移吸熱により熱を奪う冷却方法です。流動沸騰の熱伝達特性とマイクロチャネルのマ​​イクロスケール効果に依存して、マイクロチャネル内での流動沸騰冷却は、コンパクトなラジエーター構造、強力な熱伝達能力、高い熱伝達係数、良好な温度均一性、および少ない作動流体充填という利点を有する。 。マイクロチャネル流沸騰冷却の使用は、単相冷却における入口と出口の間の大きな温度差を緩和するための優れた潜在的な解決策の 1 つです。 IGBTの熱管理分野におけるマイクロチャネル流沸騰冷却の応用研究結果の一部は以下の通りです。 IGBTモジュールの大型かつ高熱束密度の条件下でのマイクロチャネル流沸騰熱伝達を目的として,冷却媒体としてR134aを用いて,マイクロチャネル流沸騰熱伝達に対する異なる加熱方向の影響を実験的に研究した。研究結果は、マイクロチャネル内には核沸騰と強制対流沸騰という 2 つの熱伝達メカニズムがあることを示しています。底部加熱の熱伝達性能は上部加熱よりも優れています。そして、チャネル内の流体の質量流量と加熱面の熱流束密度は、マイクロチャネルの壁の温度と熱伝達率に重要な影響を与えます。この研究では、実験データに基づいて修正された熱伝達相関関係も要約されており、上部が加熱されたときの熱伝達係数を平均誤差 16.6% で正確に予測できます。 IGBTモジュールに適した自然循環電力や強制循環電力による冷却実験システムを確立した学者もいます。マイクロチャネルユニット自然循環冷却システムの起動および熱伝達特性,マイクロチャネルにおけるR134aの流れ沸騰熱伝達の特性と法則,R134aの流れパターンの変化およびマイクロチャネルにおける熱伝達機構の変化を調査した。マイクロチャネル構造は、実験データと理論的研究に基づいて最適化されました。現時点では、IGBT モジュールの放熱へのマイクロチャネル流沸騰冷却の適用に関する関連研究はほとんどありません。 IGBT モジュールの大型構造、より長いチャネル長、実際の放熱効果、さまざまな熱束密度下での質量流量の選択を備えたマイクロチャネル流沸騰ヒートシンクの構造設計に関する研究が不足しています。 IGBT モジュールの放熱効果と温度均一性向上に対するマイクロチャネル流沸騰冷却の実際の効果については、さらなる研究と検証が必要です。

マイクロチャネル流沸騰のIGBT放熱関連分野への応用に関する研究はほとんどありませんが、学者らはマイクロチャネル流沸騰熱伝達の熱伝達メカニズムと熱伝達性能に影響を与える要因について広範な研究を実施し、一定の研究結果を達成しています。

マイクロチャネル流沸騰熱伝達は単相流熱伝達よりも複雑であり、影響を与える要因が多数あります。研究の方向性は幅広く、沸騰熱伝達の流れパターンの進化、気泡力学、沸騰熱伝達と熱伝達特性、熱伝達の信頼性、流れの安定性の研究が含まれます。沸騰熱伝達には、気泡と液体との間に相互作用があります。チャネル内にはさまざまな流れパターンがあり、さまざまな流れパターンはマイクロチャネル表面の熱伝達効果に直接影響を与えるため、熱伝達メカニズムの研究に大きな課題をもたらします。通常規模のチャネルにおける流動沸騰熱伝達は、2 つの基本メカニズムの影響を受けます。 1 つは、壁面での気泡の形成と気泡のダイナミクスに関連する核沸騰の支配的なメカニズムです。もう 1 つは、液膜を介した伝導と対流に関連する対流支配のメカニズムです。マイクロチャネルの熱伝達性能に関する既存の研究結果は、マイクロチャネル内の流れ沸騰熱伝達もこれら 2 つの熱伝達メカニズムの影響を受けることを示しています。核沸騰の支配的なメカニズムは熱流束に強く依存しますが、対流の支配的なメカニズムは質量流量に強く依存します。 2 つの機構の組み合わせ作用により、流動沸騰の熱伝達特性が非常に複雑になります。マイクロスケールの影響に加えて、従来の流動沸騰熱伝達の相関関係のほとんどは、マイクロスケールのチャネルにおける流動沸騰熱伝達を予測するのに十分ではありません。異なる作動流体、異なるチャネル構造、異なる流れパターンの下での熱伝達メカニズムの統一的な説明を得るのは困難であり、さらなる研究が必要です。マイクロチャネル流沸騰冷却の実験研究結果をまとめた。学者たちは、さまざまな作動流体、さまざまなチャネル数、およびさまざまな作業条件下で多数の実験研究を実施してきました。法律は確固たる実験的根拠を提供します。

一般に、現在の研究のほとんどは、熱伝達メカニズムを探ることが主な目的です。多くの学者が、均一加熱によるマイクロチャネル流沸騰の熱伝達特性とメカニズムを研究してきました。ただし、均一加熱シーンとIGBTモジュールなどの不均一加熱シーンの違いにより、対応するマイクロチャネル流沸騰ヒートシンクの熱伝達特性が異なり、設計時に考慮すべき要素が異なる場合があります。さらに、マイクロチャネル流沸騰の熱伝達メカニズムは複雑であるため、説得力のある明確な結論を引き出すことは依然として不可能です。マイクロチャネル流沸騰熱伝達の特性は、作動流体、チャネル構造、応用シナリオ、実験条件が異なると異なります。同時に、IGBT モジュールの放熱設計では、内部チップ間の温度均一性に注意を払うだけでなく、さまざまなチップの温度分布と入口と出口の相対位置、マイクロチャネルの適切な長さ、マイクロチャネル内の流体の部分的な乾燥との関係も考慮する必要があります。現象やその他の問題。これらの問題の解決は、IGBTモジュールの熱管理分野におけるマイクロチャネル流沸騰冷却のさらなる普及と応用の鍵となるでしょう。