Микроканальное охлаждение — это травление микроканалов на подложке. Тепло уносится рабочей жидкостью, текущей в микроканале после прохождения через подложку. Это эффективный метод охлаждения, имеющий большие перспективы развития в области охлаждение электронных компьютерных чипов , аэрокосмическая и другие области. С момента выдвижения этой концепции она широко обсуждалась учеными в стране и за рубежом, но механизм теплопередачи микроканалов относительно сложен и еще не выяснен. С целью изучения перспектив применения технологии микроканального охлаждения в области терморегулирования микроэлектронных устройств были проанализированы и оценены существующие исследования.
1. Структура размера микроканала
Критерии выделения макро- и микроканалов – очень важная тема. Это не только влияет на структуру канала теоретических исследований, сферу применения корреляции и т. д., но также имеет важное руководящее значение для выбора и обработки размера канала в практических приложениях. Ранние учёные провели множество исследований разницы между микроканалами и обычными каналами. КАНДЛИКАР дает диапазон диаметров различных типов каналов в зависимости от гидравлического диаметра. Однако в отчете THOME указано, что не совсем разумно различать микро- и макромасштабы только на основе размера канала, но одновременно необходимо учитывать свойства жидкости. Потому что существует множество параметров, которые изменяются и влияют на поток по мере уменьшения диаметра канала. Чтобы отличить микроканалы от обычных каналов, некоторые исследователи выдвигают разные стандарты определения микроканалов.
Метод разделения на основе гидравлического диаметра канала показан в таблице 1. Этот метод разделения был предложен LEE и KANDLIKAR et al. Этот стандарт всесторонне рассматривает применение теплообменников и технологию механического производства того времени и дает соответствующие ссылки.
При кипении в потоке порог перехода от макромасштабного канала к микромасштабному каналу еще не сформировал общепринятый стандарт. Некоторые ученые обобщили экспериментальные данные двухфазного течения микроканалов (100 мкм ≤ D ≤ 4,2 мм) и различных тестовых жидкостей (деионизированная вода, FC-72, H2O, R11 и др.). На основании анализа соответствующих исследований делается вывод, что порог перехода от макромасштабного канала к микромасштабному каналу связан с диаметром выхода пузырька и агрегацией пузырьков, а при определении границы между макромасштабным и микромасштабным каналом необходимо учитывать предел пузырьков. С точки зрения силы отрыв пузырьков в кипящем в трубке потоке контролируется поверхностным натяжением и плавучестью. Некоторые ученые предложили метод деления с использованием числа ограничения (Co, Confinement Number). Число Co представляет относительную величину поверхностного натяжения и силы тяжести в канале. При Co > 0,5 характеристики теплопередачи и течения существенно отличаются от наблюдаемых в каналах большого размера. Поэтому Co > 0,5 можно рассматривать как стандарт деления микроканалов. Этот метод разделения с указанием предельного числа Co является типичным представителем метода разделения микроканалов, оцененного по анализу силы пузырька, и он предложен на основе определенных экспериментальных условий. Стандарты, полученные в разных экспериментальных условиях, различны, поэтому их обычно используют в качестве эталона для теоретических исследований в аналогичных экспериментальных условиях.
В настоящее время в области промышленного применения широко распространено мнение, что каналы с гидравлическим диаметром D ≤ 1 мм можно называть микроканалами.
Структура микроканала оказывает большое влияние на эффективность теплопередачи микроканала. Разумная геометрия микроканалов является ключом к улучшению теплопередачи. Ученые провели много исследований микроканальных структур, включая различное изготовление микроканалов, схемы потока, характеристики перепада давления и характеристики теплопередачи в различных канальных структурах.
Начиная с самой ранней предложенной структуры параллельных многоканальных кремниевых каналов, люди изучали структуру и форму различных микроканалов, чтобы улучшить их характеристики теплопередачи. Что касается форм поперечного сечения микроканалов, ученые исследовали микроканалы с такими формами поперечного сечения, как круглая, треугольная, прямоугольная и трапециевидная формы, и проанализировали эффективность рассеивания тепла при различных формах поперечного сечения. Было обнаружено, что разница в форме поперечного сечения оказывает большое влияние на эффективность отвода тепла. Помимо сечений правильной формы, ученые также изучали структуры неправильной формы, такие как вогнутый микроканал в поперечном сечении, который называется BCT (технология скрытых каналов). Изготовлен с использованием технологии обработки скрытых каналов на кремниевой подложке. Глубина и ширина канавок составляют 75 мкм и 5 мкм соответственно, что обеспечивает новый путь для потока жидкости в микроканале. Некоторые ученые предложили новый тип микроканала с вогнутыми омными канавками на боковой стенке геометрическим размером 200×253 мкм. Каналы не связаны между собой. Результаты экспериментов показывают, что микроканалы с канавками могут способствовать зарождению пузырьков и значительно увеличивать критический тепловой поток. Это помогает смягчить нестабильность быстрого роста пузырьков и облегчает нестабильность кипения жидкости. Некоторые ученые разработали возвратно-пористый микроканал с микроканалами Ω-образной формы, используя технологию спекания порошка, которая называется RPM (reentrantporous microchannels). Гидравлический диаметр 786 мкм. Эксперименты показывают, что структура может значительно улучшить характеристики теплопередачи микроканального однофазного и двухфазного потока, а также уменьшить нестабильность двухфазного потока. Некоторые ученые провели трехмерный численный анализ и оптимизацию параметров канавок боковой стенки микроканала и получили трапециевидную канавку с отношением длины кончика канавки 0,5. Микроканал с коэффициентом глубины канавок 0,4, коэффициентом шага канавок 3,334 и коэффициентом направления канавок 0 имеет наилучшие характеристики теплопередачи и минимальное сопротивление потоку. Чтобы улучшить поток внутри микроканала и улучшить характеристики теплопередачи, исследователи также разработали множество микроканальных теплообменников с различными формами каналов потока, такими как гофрированная форма, форма со штыревыми ребрами, цилиндрическое наклонное ребро, шахматное ребро, двойное ребро и т. д. Микроканальный теплообмен, такой как слои и микроканальные теплообменники с небольшими полостями и т. д. Ученые также провели исследования некоторых каналов потока специальной структуры и обнаружили, что использование некоторых каналов потока специальной структуры может иметь эффект усиление теплоотдачи. Например, усовершенствован линейный микроканал и предложен волновой микроканал прямоугольного сечения. Результаты однофазного моделирования показывают, что волнистый микроканал может генерировать вихревые токи, улучшать коэффициент конвективной теплопередачи и иметь меньший перепад давления, чем линейный микроканал. Это исследование также показывает, что относительное изменение амплитуды вдоль направления потока не оказывает большого влияния на компактность и эффективность микроканала. Уменьшение длины волнового микроканала позволяет сделать распределение температуры оборудования более равномерным и снизить возникновение локального перегрева. Три типа пористых взаимосвязанных микроканальных сетей были изготовлены путем спекания медного порошка и электроэрозионной обработки проволоки. В ходе испытания был сделан вывод, что пористый взаимосвязанный микроканал диаметром 0,4 мм обладает лучшими характеристиками теплопередачи и способностью смягчать нестабильность двухфазного потока. Кроме того, некоторые ученые разработали топологию бионических микроканалов, такую как топология микроканалов с жилками листьев, топология дерева трахеи человека, топология паутины, структура речной сети, сотовая структура и структура вен крыльев насекомых.
Согласно результатам численного расчета, по сравнению с прямоугольным чипом, за исключением структуры речной сети, топологическая структура каждого биомиметического микроканала имеет более высокую способность рассеивания тепла, чем обычный прямоугольный плоский микроканал. А с увеличением плотности теплового потока чипа разница в способности рассеивания тепла различных микроканальных структур становится более очевидной. Таким образом, при применении чипов с высокой плотностью теплового потока топология микроканалов оказывает большое влияние на эффект рассеивания тепла чипа. В результате экспериментов обнаружено, что структура паутины имеет такие преимущества, как большая удельная поверхность рассеивания тепла, высокий средний коэффициент конвективной теплопередачи и хорошие характеристики потока жидкости. Его комплексные характеристики рассеивания тепла оптимальны, а падение давления на входе и выходе ниже, что имеет хорошее значение для инженерного применения.
Обширные исследования микроканальной структуры продемонстрировали отличный потенциал рассеивания тепла и широкие перспективы развития технологии микроканального охлаждения, а также заложили прочную основу для дальнейшей популяризации и применения последующей технологии микроканального охлаждения. Помимо размерной структуры, фазовое изменение жидкости в канале также является одним из важных факторов, влияющих на способность микроканала рассеивать тепло. В зависимости от того, изменяется фаза жидкости или нет, микроканальную технологию можно разделить на два типа: микроканальное однофазное охлаждение и микроканальное проточное кипячение (двухфазное) охлаждение. Ниже рассматриваются и анализируются существующие исследования однофазных и двухфазных микроканалов.
2. микроканального охлажденияоднофазного Технология
Однофазное охлаждение означает, что охлаждающая среда остается в одном и том же состоянии (обычно жидком) на протяжении всего процесса охлаждения без кипения или конденсации. По сравнению с обычным однофазным охлаждающим устройством (системой) микроканальное однофазное охлаждающее устройство (система) имеет большую площадь теплопередачи и микромасштабный эффект при том же объеме, а общие характеристики рассеивания тепла выше. Видно, что вода находится в центре внимания микроканальных однофазных экспериментальных исследований. В настоящее время возлагаются большие надежды на применение технологии микроканального охлаждения в области охлаждения электронных чипов. Поэтому во многих экспериментальных исследованиях электронные чипы напрямую используются в качестве источников тепла для анализа характеристик теплопередачи микроканальных радиаторов. Длина большинства протестированных в экспериментах микроканалов находится в диапазоне 10-20 мм.
Напротив, исследований модульных модулей IGBT мало. Общий размер модуля корпуса IGBT относительно велик по сравнению с компьютерными электронными микросхемами. Обычно приходится проектировать микроканалы длиной более 50 мм, что невыгодно для однофазного охлаждения. Поскольку более длинный канал приведет к увеличению разницы температур между входом и выходом, это может увеличить риск температурного разгона модуля корпуса IGBT из-за неравномерности температуры. Это проблема, которую нельзя игнорировать, когда технология микроканального однофазного охлаждения применяется для управления температурой IGBT. Некоторые ученые провели исследования по этому вопросу, например, разработали интегрированный микроканальный радиатор жидкостного охлаждения с паровой камерой для мощных IGBT с целью повышения однородности температуры микроканального однофазного охлаждения. Интегрируйте микроканальный радиатор с паровой камерой. Сравнивая встроенный микроканальный радиатор с простым микроканальным радиатором, можно убедиться в превосходной комплексной производительности встроенного микроканального радиатора. Это дает важную информацию о применении микроканальных однофазных охлаждающих радиаторов для управления температурой мощных IGBT.
3. Технология микроканального проточного кипящего (двухфазного) охлаждения
Проточное кипячение (двухфазное) охлаждение – это в основном метод охлаждения, при котором тепло отводится за счет поглощения тепла фазового перехода при кипении жидкости в потоке. Опираясь на характеристики теплопередачи при кипении в потоке и микромасштабный эффект микроканалов, охлаждение при кипении в микроканалах имеет преимущества компактной конструкции радиатора, высокой способности теплопередачи, высокого коэффициента теплопередачи, хорошей однородности температуры и меньшего количества рабочей жидкости. . Использование микроканального проточного кипящего охлаждения является одним из отличных потенциальных решений для уменьшения большой разницы температур между входом и выходом при однофазном охлаждении. Некоторые из результатов прикладных исследований микроканального проточного кипящего охлаждения в области терморегулирования IGBT заключаются в следующем. С целью обеспечения теплопередачи при кипении в микроканальном потоке в условиях больших размеров и высокой плотности теплового потока модуля IGBT экспериментально изучено влияние различных направлений нагрева на теплообмен при кипении в микроканальном потоке с использованием R134a в качестве охлаждающей среды. Результаты исследований показывают, что в микроканале существует два механизма теплопередачи: пузырьковое кипение и вынужденное конвективное кипение. Эффективность теплопередачи при нижнем нагреве выше, чем у верхнего. При этом массовый расход жидкости в канале и плотность теплового потока поверхности нагрева оказывают важное влияние на температуру стенки микроканала и коэффициент теплоотдачи. В исследовании также обобщены модифицированные корреляции теплопередачи на основе экспериментальных данных, которые позволяют точно предсказать коэффициент теплопередачи при нагреве верха со средней ошибкой 16,6%. Некоторые ученые создали экспериментальные системы охлаждения с мощностью естественной циркуляции и принудительной циркуляцией, подходящие для модулей IGBT. Исследованы пусковые и теплообменные характеристики микроканального агрегата - системы охлаждения с естественной циркуляцией, характеристики и закономерности проточной теплоотдачи при кипении R134a в микроканале, трансформация схемы течения R134a и трансформация механизма теплопередачи в микроканале. Структура микроканалов оптимизирована на основе экспериментальных данных и теоретических исследований. В настоящее время имеется мало исследований по применению микроканального проточного кипящего охлаждения для отвода тепла от IGBT-модулей. Отсутствуют исследования по конструктивному решению микроканального проточного кипящего радиатора с увеличенной размерной конструкцией для модуля IGBT, большей длиной канала, фактического эффекта рассеивания тепла и выбора массового расхода при различных плотностях теплового потока. Фактический эффект микроканального проточного кипящего охлаждения на эффект рассеивания тепла и улучшение однородности температуры модуля IGBT требует дальнейшего исследования и проверки.
Хотя исследований по применению микроканального кипячения в потоке в областях, связанных с рассеянием тепла на IGBT, мало, ученые провели обширные исследования механизма теплопередачи и факторов, влияющих на эффективность теплопередачи при кипении в микроканальном потоке, и достигли определенных результатов исследований.
Теплопередача при кипении в микроканальном потоке более сложна, чем теплопередача в однофазном потоке, и на нее влияет множество факторов. Направление исследований широкое и включает в себя эволюцию структуры потока теплопередачи при кипении, динамику пузырьков, характеристики теплопередачи при кипении и характеристики теплопередачи, надежность теплопередачи и исследование стабильности потока. Теплопередача при кипении происходит за счет взаимодействия пузырьков с жидкостью. Внутри канала существуют разные структуры потока, и разные структуры потока будут напрямую влиять на эффект теплопередачи на поверхности микроканала, что создает большие проблемы для изучения механизма теплопередачи. На теплообмен при кипении потока в каналах регулярного масштаба влияют два основных механизма. Одним из них является доминирующий механизм пузырькового кипения, связанный с образованием пузырьков на поверхности стенки и динамикой пузырьков. Другой механизм — это механизм с преобладанием конвекции, связанный с проводимостью и конвекцией через пленку жидкости. Существующие результаты исследований эффективности теплопередачи микроканалов показывают, что на теплообмен при кипении потока в микроканалах также влияют эти два механизма теплопередачи. Доминирующий механизм пузырькового кипения сильно зависит от теплового потока, тогда как доминирующий механизм конвективного кипения сильно зависит от массового расхода. Совместное действие двух механизмов существенно усложняет характеристики теплопередачи при проточном кипении. Помимо влияния на микромасштабе, большинства традиционных корреляций теплопередачи при кипении потока недостаточно для прогнозирования теплопередачи при кипении потока в микромасштабных каналах. Получить единое описание механизма теплопередачи при различных рабочих телах, разной структуре каналов и различных режимах течения сложно, и необходимы дальнейшие исследования. Обобщены результаты экспериментальных исследований микроканального проточного кипящего охлаждения. Ученые провели большое количество экспериментальных исследований с разными рабочими жидкостями, разным количеством каналов и разными условиями работы. Закон обеспечивает прочную экспериментальную основу.
В целом, большая часть текущих исследований направлена на изучение механизма теплопередачи как основной цели. Многие ученые изучали характеристики теплопередачи и механизм кипения микроканального потока при равномерном нагреве. Однако разница между сценой равномерного нагрева и сценой неравномерного нагрева, такой как модуль IGBT, приводит к тому, что характеристики теплопередачи соответствующего микроканального проточного кипящего радиатора, и факторы, которые следует учитывать при проектировании, могут быть разными. Более того, сложность механизма теплопередачи при кипении микроканального потока пока не позволяет сделать убедительные и однозначные выводы. Характеристики теплопередачи при кипении микроканального потока различны в зависимости от рабочих жидкостей, структуры каналов, сценариев применения и условий эксперимента. В то же время при проектировании рассеивания тепла модуля IGBT не только уделяется внимание однородности температуры между внутренними чипами, но также необходимо учитывать взаимосвязь между распределением температуры различных чипов и относительным расположением входа и выхода, разумной длиной микроканала и частичной сушкой жидкости в микроканале. явление и другие вопросы. Решение этих проблем станет ключом к дальнейшей популяризации и применению микроканального проточного кипящего охлаждения в области терморегулирования IGBT-модулей.
