U型波浪结构热沉的流动与热性能分析.pdf

新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 6 0 新技术新工艺 试验与研究U型波浪结构热沉的流动与热性能分析*臧鲁浩,王俊超,曹明轩,甘宏海,高一伟(五邑大学 智能制造学部,广东 江门 5 2 9 0 2 0)摘 要:为了保证高功率半导体激光器能够有更稳定的工作温度,设计了一款双层U型波浪微通道热沉,通过模拟的方法研究该结构的流动和传热特性。首先,比较了传统直微通道热沉(S MCH S)和波浪微通道热沉(WMCH S)的局部换HT C、压降和温度均匀性。其次,采用单一变量方法研究了不同参数(泵功、波浪的振幅和波长)对WMCH S中温度分布、压降和迪恩涡流变化的影响。结果表明,和S MCH S相比,WMCH S的上段和下段的局部HT C有所提高,WMCH S流道内产生回流,而且WMCH S的温度均匀性更好。此外,当波长=2 5 0 m时,小振幅(A=3 0 m)的WMCH S中迪恩涡的持续时间最长,努塞尔数(N u)达到最大。当振幅A8 0 m时,N u在波长接近1 0 0 0 m时增加到最大值。研究内容为半导体激光器波浪形通道散热器的优化原理提供了仿真依据,同时对其他微电子器件的散热具有参考价值。关键词:热沉;波浪微流道;温度均匀性;热阻;压降;迪恩涡中图分类号:T K 1 2 4 文献标志码:AA n a l y s i s o f F l o w a n d T h e r m a l P e r f o r m a n c e f o r U-s h a p e d W a v y S t r u c t u r e H e a t S i n kZ ANG L u h a o,WAN G J u n c h a o,C AO M i n g x u a n,G AN H o n g h a i,GAO Y i w e i(F a c u l t y o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u r i n g,W u y i U n i v e r s i t y,J i a n g m e n 5 2 9 0 2 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o e n s u r e a m o r e s t a b l e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e f o r h i g h p o w e r s e m i c o n d u c t o r l a s e r s,a d o u b l e-l a y e r U-s h a p e d w a v e m i c r o c h a n n e l h e a t s i n k w a s d e s i g n e d,a n d t h e f l o w a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s t r u c t u r e w e r e s t u d i e d b y s i m u l a t i o n.F i r s t l y,t h e l o c a l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t(HT C)o f p r e s s u r e d r o p p i n g a n d t e m p e r a t u r e u n i f o r m i t y o f c o n v e n t i o n a l s t r a i g h t m i c r o c h a n n e l h e a t s i n k(S MCH S)a n d w a v y m i c r o c h a n n e l h e a t s i n k(WMCH S)w e r e c o m p a r e d.S e c-o n d l y,a s i n g l e v a r i a b l e a p p r o a c h w a s u s e d t o s t u d y t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t p a r a m e t e r s(p u m p i n g p o w e r,a m p l i t u d e,a n d w a v e l e n g t h o f w a v y s t r u c t u r e)o n t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n,p r e s s u r e d r o p,a n d D e a n v o r t e x v a r i a t i o n i n t h e WMCH S.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t c o m p a r e d w i t h S MCH S,WMCH S h a d i n c r e a s e d l o c a l HT C i n t h e u p p e r a n d b o t t o m s e c t i o n s,b a c k f l o w w a s g e n e r a t e d i n t h e WMCH S c h a n n e l,a n d t h e t e m p e r a t u r e u n i f o r m i t y o f WMCH S w a s b e t t e r.F u r t h e r m o r e,D e a n v o r t i c e s i n t h e s m a l l a m p l i t u d e(A=3 0 m)WMCH S h a d t h e l o n g e s t d u r a t i o n w h e n t h e w a v e l e n g t h=2 5 0 m,a n d t h e N u s s e l t n u m b e r(N u)r e a c h e d t h e m a x i m u m.W h e n t h e a m p l i t u d e A8 0 m,N u i n c r e a s e d t o a m a x i m u m a s t h e w a v e l e n g t h a p p r o a c h e d 1 0 0 0 m.T h e r e s e a r c h c o n t e n t p r o v i d e d a s i m u l a t i o n b a s i s f o r o p t i m i z a t i o n p r i n c i p l e o f s e m i c o n d u c t o r l a-s e r w a v y c h a n n e l h e a t s i n k s,m e a n w h i l e,i t h a d r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e h e a t d i s s i p a t i o n o f o t h e r m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e s.K e y w o r d s:h e a t s i n k,w a v y m i c r o c h a n n e l s,t e m p e r a t u r e u n i f o r m i t y,t h e r m a l r e s i s t a n c e,p r e s s u r e d r o p,D e a n v o r t i c e s 随着储能设备和电子设备的集成化和小型化的发展,相关应用的功率密度和冷却要求也相应提高。高功率半导体激光器(H P L D)是一种典型的高热功率器件,具有占用空间小、系统稳定等特点,在制造领域得到了广泛应用。用于H P L D的传统冷却方法包括自然对流冷却、大通道冷却和半导体冷却。传统的散热方式有着温度不均匀和散热能力不足的缺点,且半导体冷却需要消耗电能,导致产生额外的热量3。2 0世纪8 0年代T u c k e r m a n团队4首次提出微通道散热器(MCH S)来消除设备器件所带来的高热通量。微通道热沉的流道普遍为直通道,但是有着较大的温度梯度和流体混合不良的缺点5。由于单方向流动的特点,在流动方向上流体的流动边界层和传热边界层变厚,增加了整个通道的温差。根据相关研究,将纳米颗粒引入流体以改变其特性和在管内放置干扰单元1 1-1 2以促进流动混乱都会显著增加传热。然而,修改通道形状以产生二次流来改善传热被证明是更实用、更便宜、更容易在工程实践中实现的1 3。S u i1 4首先提出使用波浪微通道代替直微通道来改善传热效率和温度均匀性。在S u i等的研究之后,许多人尝试实验研究提高波浪微通道散热器的效率1 5。他们的研究结果表明,当液体冷却剂流经波浪微通道时,可以产生迪恩涡,导致混乱的平流,改善冷热流体的混合。迪恩涡会使热力和水力边界层变薄,以加强热传导。由于激光束组合结构的限制,H P L D的散热器大多采用双层U型MCH S的形式,以确保激光二 试验研究 新技术新工艺 试验与研究6 1 极管有一个稳定和准确控制的温度工作范围1 6。为了进一步提高激光温度的稳定性,一些研究1 7改变了双层U型通道的结构(弧形、之字形和正弦形),他们发现正弦形的波浪形结构在相同的总流速下,热阻和总压降较小,传热系数较大。然而,目前对双层U型正弦波浪形结构的流动和热特性的研究只做了全局热阻、压降和温度均匀性的研究。并没有评估通道各部分的散热能力,也没有研究正弦波浪形流道单位周期内流体迪恩涡的形成以及结构参数对热特性的影响。本文为了保证激光器温度的均匀性,使其有一个稳定的工作状态,针对大功率半导体激光器设计了一款通道侧壁为正弦波浪形的双层U型微通道散热器。首先,比较了不同流速下直微通道散热器(S MCH S)和波浪微通道散热器(WMCH S)不同位置(上、中、下段)的平均传热系数(HT C)和热功率,以及热源表面的温度均匀性。其次,研究了在固定泵功率(=0.1 5 W)下,不同几何参数(波浪形振幅A=3 0 m,波长=2 5 01 0 0 0 m)的WMCH S中迪恩涡的变化。最后,比较了不同几何参数(A=5 0、8 0 m,=2 5 02 0 0 0 m)的WMCH S在3种泵功率(=0.0 50.1 5 W)下的整体热阻、压降、表面摩擦因数和努塞尔数。1 物理模型和模拟过程1.1 模型设计微通道热沉模型如 图1所示。图1中A为MCH S的几何形状,其中包括电子元件激光二极管阵列(L D A)形式的热源和一组冷却工质入口和出口。该热沉共有1 0个微通道,整体尺寸为5.2 mm1 2 mm3 mm(LxLyLz)。为了简化计算1 8,体积热源被均匀地简化为表面热源。此外,矩形直通道热沉结构具有周期性,为了减少网格大小和计算时间,选择其中一个矩形直通道作为计算域1 9(见图1中B)。在这个计算模型中,两个半壁位于微通道的相对两侧。正弦波浪微通道是在本工作中对矩形直通道的基础上改进形成的(见图1中C)。通道波浪的函数为y=As i n(2 x/),其中A是振幅,是波长。图1中D为单个通道截面示意图。具体尺寸见表1。图1 微通道热沉简化模型图(A)、S MCH S(B)、WMCH S(C)和微通道剖面(D)示意图表1 通道结构参数(mm)HrHcWhLmLrLxWWcWF/20.60.640.60.65.21.20.60.3 为了研究这个三维