多孔介质填充的小槽道散热器性能研究

　　电子器件微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势，带来的问题是单位面积散热量不断提高。

　　美国研究者111指出，到2012年高热流密度电子元器件散热需求将达到120W/cm2.近年来，研究者开展了微通道，烧结多孔介质和堆积床（小孔隙率）以及泡沫多孔介质（大孔隙率）散热技术的研究，以期解决日益严重的高热流密度电子元器件散热需求问题。

　　~320Mm的微槽，以水为冷却工质进行，散热器是基于21mmX 21mmX25mm铜板，加工出3mm宽、2mm深的小槽道，槽道内填充孔隙率95的泡沫铜。散热器用有机玻璃封装，其底面用导热硅油与散热表面接触，并压紧。散热表面是20mmX20mmX50mm的加热铜柱上表面。铜柱两侧面分别等距布置有3对热电偶，用于测量铜柱竖直方向上温度分布和分析散热表面温度均匀性。由于小槽道中填入了多孔介质，散热器进出口压差较大。进出口分别用压力传感器（OMEGA，不确定度10Pa）和微压差计1Pa）测量压力。

　　表1，共1. 105个结构化网格，设置进口为恒定质量流量，出口为常压，底面有20mmX20mm的恒定热流密度，其余外壁面均绝热，内壁面跟流体耦合。

　　多孔介质材料为铜，其导热系数为387 6WAIKm），而其粘性阻力系数以及惯性阻力系数均根据模型的多孔介质按附录计算得惯性阻力有效厚度Am=024m，粘性阻力有效厚度A2=0.035m，在水密度P=997kg/m3，粘性系数为/=769X10―4kgAms）时，C2=3502.由图可见，基于所示的几何模型，其平均Nu数在雷诺数小于1200左右时，随流量增加有微弱减小；在雷诺数大于1 200时，随流量增加而增大。本课题组对微槽道混合技术研究的结果比较对于微槽道设计，在满足散热需求的同时还要尽可能使散热面上温度均匀，减少电子元器件表面1994热应力'槽道散热器为了克服热应力的影响，通爨需H要设计各种槽道形状，使散热表面有更均匀的温度。

　　中所示槽道就是基于增加冷却液在散热器内的换热时间和减小表面温度差的目的而设计的。尽管如此，微槽道内填充多孔介质和没填充多孔介质仍然存在较大差异。

　　277g/s时散热表面温度分布，可从图中看出：①有多孔介质时，平均表面温度要比没有多孔介质时低20K左右，这一点充分地说明了多孔介质极大地减小流固间的传热热阻。在相同热流密度需求条件下，多孔介质能使散热表面温度更低。②两者等温线密集的地方均在进口两侧和出口处，表示该位置温度梯度较大。进出口温差为4K则平均温度梯度为2K/cm.二者的差别主要在于散热器边缘，有多孔介质时，沿边界上，温度分布更均匀。由此可见，本文设计的多孔介质填充小槽道成功实现了降低散热表面温度梯度的目标。

　　本文尝试用高孔隙率、高比表面积铜基多孔介质进行水冷换热研究。与小孔隙率堆积床和烧结多孔介质相比，在保持较好换热性能同时，大大降低压力损失。高孔隙率的多孔介质渗透率大（约为6IX1im2），有效降低进出口压差，从而降低散热器功耗；高比表面积使对流换热面积增大，单位体积内换热增强，平均体积散热率高达250W/mm3；散热器在相同压降下得到比更小的热阻，说明该多孔介质材料在改善散热器性能上有广阔的应用前景；此外，小槽道内填充多孔介质不仅使散热表面获得更低温度，还使散热表面温度梯度减小。

　　如下图所示，等体积流率qv的流体流过变截面的均匀多孔介质区域时，根据进出口压差可以得到多孔介质的粘性阻力有效厚度Ani和惯性阻力有效厚度A*.图示多孔介质区域特征长度取进口处jo.出口处在x.由于X方向上渗流速度V远大于Y方向上的，故我们只考虑X方向上，据连续性方程根据Darcy定律有实验测量进出口压降为Ap由式（f（b）积分可得令V其中，An1即为粘性阻力有效厚度和惯性阻力有效厚度。