電子冷卻技術(shù)的多目標(biāo)的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化與比較分析

1、 電子冷卻技術(shù)的多目標(biāo)的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化與比較分析Sidy Ndao, Yoav Peles, Michael K. Jensen *機(jī)械，航空航天，核工程，倫斯勒理工學(xué)院，特洛伊，NY 12180，USA 文章信息 摘要文章歷史： 電子冷卻技術(shù)的多目標(biāo)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化與比較分析已經(jīng)被提出?？紤]的冷卻技術(shù)：連2008.11.4 收到 續(xù)的平行微通道散熱器，內(nèi)聯(lián)和交錯(cuò)的圓針翅散熱器，交錯(cuò)帶狀翅散熱器，以及單2009.3.31 接受 個(gè)和多個(gè)淹沒(méi)射流沖擊。使用水和HFE-7000作為冷卻劑，MATLAB的多目標(biāo)遺傳算2009.5.20 上線可利用 被利用來(lái)確定每一項(xiàng)技術(shù)在恒定壓降與熱源面積為100mm2時(shí)的總

2、熱阻與泵功率的最關(guān)鍵詞： 熱設(shè)計(jì)。帕雷托前沿的圖像表示了總熱阻與泵功耗之間的一個(gè)權(quán)衡。在一般情況下，微通道 交錯(cuò)帶狀翅片散熱器優(yōu)于其他的冷卻技術(shù)。針翅交錯(cuò)帶翅 2009年愛(ài)思唯爾有限公司。版權(quán)所有射流沖擊散熱器引言在工業(yè)與學(xué)術(shù)界，對(duì)有效的冷卻技術(shù)的興趣隨著大功率的電子芯片與設(shè)備密度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。當(dāng)今，大多數(shù)研究的精力集中在增強(qiáng)緊湊型幾何散熱器的單向和沸騰流動(dòng)傳熱中，如：微通道，微型針翅，射流沖擊。每種技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)【1】,面臨的挑戰(zhàn)是找到已給定的電子冷卻應(yīng)用的最佳性能。如【2-4】顯示，微通道，針翅和射流沖擊散熱器的總熱阻和功耗最小化已經(jīng)達(dá)到最佳設(shè)計(jì)配置，然而鑒于某些限制，這些技術(shù)間相互的比

3、較分析還沒(méi)有完成。1.1 微通道自塔克曼和皮斯【5】與1981年的開(kāi)創(chuàng)性工作以來(lái)，普利普斯【6】和最近莫里尼總結(jié)了開(kāi)展的研究。許多研究已經(jīng)調(diào)查了微通道的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)確定能夠提供最佳性能的幾何尺寸規(guī)格。早期分析研究【8.9】顯示通道的數(shù)量和翅片的厚度對(duì)通道的寬度的影響與熱阻成比例，但是，這些研究都是基于傳統(tǒng)分析翅片的方法，不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)通道高度與寬度比大于8的結(jié)果【10】。做為古典翅片分析法的一種替代，金和Hyun【11】提出了一個(gè)基于均值法的多孔媒介模型，其中散熱器被當(dāng)作一種多孔隙的飽和流體介質(zhì)，從這個(gè)模型獲得適用于他們結(jié)果的數(shù)值。最近金和金【2】提出了與總熱阻相關(guān)的封閉微通道熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。在分

4、析模型中，幾個(gè)數(shù)值方法已被用來(lái)研究微通道散熱器材料的熱性能【12-15】。1.2圓針翅與交錯(cuò)帶狀散熱器關(guān)于圓針翅散熱器與交錯(cuò)帶狀散熱器的文獻(xiàn)已經(jīng)有超過(guò)50年的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)調(diào)查。感興趣的讀者可以查閱Zukauskas【16，17】，凱斯和倫敦【18】，Mauglik和Bergles【19】，Metzger等人的工作成果。更多關(guān)于圓針翅與交錯(cuò)帶狀翅散熱器與熱流體的特性研究的最近研究成果可以從Dong與Kasar等人的工作成功中得到。許多研究調(diào)查了圓針翅散熱器和交錯(cuò)帶狀翅片散熱器的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。Bejan和摩根【24】提出散熱器熱阻最小的最佳幾何形狀為圓針翅和交錯(cuò)帶狀散熱片?；谒麄兊腄arcy-flo

5、w多孔媒介，他們得出交錯(cuò)帶狀翅片散熱器的熱阻最低，大約是連續(xù)的平行微通道散熱器的最低熱阻的一半。其他研究【3，19，25-27】還表明，散熱器的設(shè)計(jì)變量如散熱片的縱向和橫向間距對(duì)熱性能有明顯的影響。 術(shù)語(yǔ)a 交錯(cuò)帶狀翅片長(zhǎng)度(米)A 面積(平方米)Ab 總基地面積、熱源基地面積(平方米)Ah 傳熱面積(平方米)b 交錯(cuò)帶狀翅片厚度(米)Cb,f 比熱(J /kg K)d 直徑(米)De 有效的熱源直徑(4 Ab / )1/2(m)Dh 水力直徑(米)E 等式和不等式約束f 摩擦系數(shù)G 體積流量(立方米/秒)h 平均傳熱系數(shù)(W / m2 K)H 翅片高度、噴氣孔板和沖擊式表面之間 的距離(米)

6、j Colburn j因素k 導(dǎo)熱系數(shù)(W / m K)ke 等式的約束總量kt 等式和不等式的約束總量Kc 突然收縮系數(shù)Ke 突然膨脹系數(shù)L 散熱器在流動(dòng)方向的長(zhǎng)度、交換 區(qū)的長(zhǎng)度(m)Lc 特征長(zhǎng)度(米)Lcj 射流特征長(zhǎng)度De / 2(m)l 噴射孔板厚度(米)m 努塞爾數(shù)相關(guān)指數(shù)M 質(zhì)量流率(千克/秒)N 鰭的數(shù)量n 努塞爾數(shù)相關(guān)指數(shù)NJ 噴水孔的數(shù)量NT 鰭在橫向的數(shù)量NL 鰭在流動(dòng)方向的數(shù)量Nud 努塞爾數(shù)基于直徑dNuDh 努塞爾數(shù)基于Dh水力直徑NuL 努塞爾數(shù)基于長(zhǎng)度LP 功率(W)Pr 普朗特?cái)?shù)Q 熱輸入(W)R 熱電阻(K / W)Red 基于直徑d的雷諾數(shù)ReDh 基于

7、Dh水力直徑的雷諾數(shù)ReL 基于長(zhǎng)度L的雷諾數(shù)Sj 噴射間距(米)ST 圓針翅側(cè)翅片間距(米)SL 回流區(qū)圓針翅片間距(m)s 交錯(cuò)帶狀翅側(cè)翅片間距(米)t 基厚度(m)T 溫度(K)U 速度(米/秒)vt 數(shù)量的設(shè)計(jì)變量wch 微通道寬度(米)ww 微通道翅片厚度(m)W 熱沉的寬度(米) 希臘字母 翅片高度鰭特征長(zhǎng)度Lc比率 側(cè)翅片間距對(duì)鰭特征長(zhǎng)度Lc比率 噴射孔板厚度對(duì)射流直徑比l / djp 壓降(Pa) 孔隙度)/()+ ww) 翅片效率 整體散熱效率 抵消帶鰭翅片長(zhǎng)度比寬度b / a SL / dcp回水區(qū)音高 粘度(公斤/ m s) 孔板之間的距離和沖擊面 噴射直徑比 密度(公斤

8、/立方米) 單位額區(qū)比 噴射間距與射流直徑比Sj / dj 下標(biāo)bulk 散裝ch 通道cond 導(dǎo)電conv 對(duì)流cp 圓釘狀翅片f 流體fin 鰭i 入口j 噴射k 等式和不等式約束指數(shù)max 最大s 固體sf 交錯(cuò)帶鰭tot 總量v 有界約束指數(shù) 1.3單個(gè)和多個(gè)淹沒(méi)沖擊射流 射流沖擊傳熱已經(jīng)被廣泛研究，由于其高傳熱系數(shù)，能夠降低滯流區(qū)的壓力，并消除芯片與冷卻系統(tǒng)接口之間的熱電阻【28】。最近，一些研究都集中在電子冷卻應(yīng)用程序的單個(gè)和多個(gè)微型射流沖擊傳熱【1】，然而，只有少數(shù)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)它們的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行研究。噴嘴與噴嘴的間距與噴嘴直徑比，噴嘴高度與噴嘴的半徑比都被證明對(duì)沖擊射流的熱工

9、水力性能有明顯影響【29-31】。1.4冷卻技術(shù)的比較盡管關(guān)注單個(gè)冷卻技術(shù)的研究，但是較少比較他們，確定它們是否適合一個(gè)特定的冷卻應(yīng)用。這個(gè)缺陷實(shí)際上可以歸因與具有挑戰(zhàn)性的比較不同技術(shù)的任務(wù)，每個(gè)設(shè)計(jì)變量之間都有相互復(fù)雜的關(guān)系。不過(guò)，一些研究人員曾經(jīng)試圖比較這些技術(shù)【4，32-35】。然而，這些研究要么比較只有針翅截面或是基于有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)比較往往被簡(jiǎn)化（如：二維域）。因此并沒(méi)有考慮翅片的高度，大多數(shù)現(xiàn)有的比較研究也使用參數(shù)或單目標(biāo)優(yōu)化的比較。目前的工作表明，單目標(biāo)優(yōu)化（例如：熱阻和泵功率）不一定得到最佳的性能。目前電子冷卻技術(shù)的多目標(biāo)熱設(shè)計(jì)與比較有兩個(gè)步驟：（1）每個(gè)冷卻系統(tǒng)在分別施加

10、約束條件下同時(shí)優(yōu)化到熱阻及泵功率最小值；（2）在最佳設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行比較。2. 優(yōu)化技術(shù)和熱設(shè)計(jì)模型2.1優(yōu)化指標(biāo)和設(shè)計(jì)變量圖1顯示了不同的冷卻技術(shù)考慮其各自研究的設(shè)計(jì)變量。這個(gè)冷卻系統(tǒng)包括微通道散熱器，內(nèi)聯(lián)與交錯(cuò)圓針翅散熱器，交錯(cuò)帶狀翅散熱器，單個(gè)和多個(gè)淹沒(méi)射流沖擊。兩個(gè)指標(biāo)集總熱阻和功耗，每個(gè)單獨(dú)的冷卻技術(shù)的在恒定壓降下同時(shí)優(yōu)化，總熱阻被定義為：總熱阻模型和設(shè)計(jì)變量在研究中的使用展示在表1。2.2傳熱和摩擦系數(shù)模型傳熱和摩擦系數(shù)模型在本研究中所用的試驗(yàn)或分析條件總結(jié)在表2.這些模型被選定好，要嚴(yán)審查現(xiàn)有的相關(guān)理論分析和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)。每一種模型已經(jīng)被各自的作者驗(yàn)證，且根據(jù)每個(gè)相

11、關(guān)的共性而被選擇（如：參數(shù)空間范圍內(nèi)），預(yù)測(cè)優(yōu)化結(jié)果的能力更準(zhǔn)確和方便（如：冷卻劑）。導(dǎo)熱模型以努賽爾數(shù)、Nu和Colburn j因素呈現(xiàn)，而微通道和交錯(cuò)帶狀翅片散熱器【18】的壓降被定義為：對(duì)于單個(gè)和多個(gè)淹沒(méi)射流沖擊散熱器【38】，表達(dá)式為：每個(gè)冷卻技術(shù)的，Dh和G的定義列于表3。微通道、交錯(cuò)帶狀翅和射流沖擊的瞬間收縮系數(shù)Kc和擴(kuò)張系數(shù)Ke如下：而對(duì)于圓針翅散熱器【3】，使用一下表達(dá)式圖 1 （A）微通道散熱器的原理模型 （B）圓針翅散熱片的示意模型 （C）錯(cuò)帶翅片式散熱器的示意模型 （D）噴流沖擊冷卻的模型示意圖2.3最佳優(yōu)化程序每個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)在恒定壓降和熱源面積為100mm2的條件下通過(guò)對(duì)

12、總熱阻和泵功率進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化帶到最佳化。因?yàn)楣璧母邆鳠嵝砸约捌湓诎雽?dǎo)體微電子的最常用性，所以散熱器也用硅來(lái)制備。在性能恒定的假設(shè)下，水和HFE-7000被選擇做為冷卻劑。當(dāng)冷卻系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)變量在允許變化的應(yīng)用范圍里變化時(shí)，散熱區(qū)域的厚度保持恒定。對(duì)于一個(gè)給定壓降、壓差、速度、U的方程，利用壓降和摩擦系數(shù)迭代求解。一旦速度是已知的，總熱阻和泵力很容易計(jì)算。使用MATLAB的多目標(biāo)算法【39】時(shí)，總熱阻和泵功率消耗需要目標(biāo)最小化?？紤]向量：相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)表示總熱阻和泵功率，向量表示設(shè)計(jì)變量。多目標(biāo)優(yōu)化的目的是使目標(biāo)函在許多限制和區(qū)間中撿到最小。這問(wèn)題的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：MATLAB的多目標(biāo)函數(shù)，ga

13、multiobj，被用來(lái)解決上述的問(wèn)題。該函數(shù)的參數(shù)包括客觀功能和一些基因算法的參數(shù)空間，如人口規(guī)模、帕雷托分?jǐn)?shù)和繪圖功能。計(jì)算結(jié)果包括非劣解集。當(dāng)改善一個(gè)目標(biāo)需要另個(gè)劣化時(shí)，最佳解集是非劣效應(yīng)的解決方案。表4和表5顯示了冷卻劑、散熱片的屬性，和在本研究中使用優(yōu)化約束限制的價(jià)值。在定義參數(shù)空間時(shí)，注意不要過(guò)度推斷傳熱和摩擦因子模型。3. 結(jié)果和討論3.1模型的驗(yàn)證正如前面提到的，傳熱和摩擦系數(shù)模型在本研究中的使用已經(jīng)得到各自開(kāi)發(fā)者的驗(yàn)證。然而，為了驗(yàn)證計(jì)算方法在目前的工作中的情況，計(jì)算得出的熱阻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如表6中所示，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值一致。3.2多目標(biāo)優(yōu)化和帕雷托最優(yōu)解決方案當(dāng)一個(gè)目標(biāo)的

14、改進(jìn)需要另一個(gè)劣化時(shí)，多目標(biāo)解決方案需要產(chǎn)生一組最優(yōu)解。這些關(guān)于冷卻劑的最佳解決方案的平面圖如2A，3A，4A，5A，6A，和7A。這些曲線被稱為帕雷托前沿，其清楚顯示了總熱阻和功耗之間的權(quán)衡；總熱阻的增加（減少）對(duì)功率的提高。帕雷托前沿曲線也表明這權(quán)衡是不等的。如圖2A所示，總熱阻小雨0.25K/W時(shí)，隨著總熱阻的增加，泵功率減小。然而，在總熱阻大于0.25K/W時(shí)，繼續(xù)增加總熱阻時(shí)功耗不會(huì)有顯著影響。相似的，當(dāng)相對(duì)泵力很小時(shí)，根據(jù)不同的選擇，增加泵功率會(huì)降低總熱阻，直到達(dá)到一個(gè)值時(shí)，任何進(jìn)一步的增加泵功率不會(huì)對(duì)總熱阻有任何顯著影響。從上面的討論中可能明顯得出，對(duì)于一個(gè)給定的壓降，最低的熱阻

15、設(shè)計(jì)變量不一定對(duì)應(yīng)于最低的功耗，反之亦然。圖 2 （A）微通道散熱器的帕雷托最優(yōu)解決方案。 （B微通道散熱器的設(shè)計(jì)變量在水壓= 70 千帕?xí)r的沿其帕雷托前沿分布 通過(guò)研究個(gè)性化設(shè)計(jì)變量對(duì)總熱阻和功耗的影響可以加深對(duì)這種權(quán)衡的洞察。以交錯(cuò)帶狀翅片散熱器為例，總熱阻隨高度比的增大而減少，這是因?yàn)榭傓D(zhuǎn)熱面積隨著sf的增加而增加。相反，功耗隨著sf和翅片長(zhǎng)度的增加而增加。這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)恒定壓降，增加sf會(huì)增加流量從而提高功耗。壓降在特定電子冷卻應(yīng)用的散熱最優(yōu)設(shè)計(jì)的作用可以從這些數(shù)據(jù)觀察到。如圖3A所示，在相對(duì)較低，低于0.3W的泵功率與低于40kPa的壓降下是想最低的熱阻。然而，在較高的泵功率下，最

16、低的熱阻需要在更高的壓降時(shí)達(dá)到。在偏移帶翅（圖5），低壓降的影響一定程度上受限于相對(duì)較大的最優(yōu)熱阻。當(dāng)總熱阻小于0.05K/W時(shí)，在一個(gè)給定的功耗下，增加壓降不會(huì)顯著改善熱阻。射流沖擊（圖6，7），增加壓降會(huì)大幅降低熱阻。這是與射流沖擊相對(duì)較低的摩擦系數(shù)相關(guān)的，其允許高的雷諾數(shù)，從而提高了傳熱系數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定流速的射流沖擊相比平行流散熱器的配置有較小的壓降，這解釋了為什么壓降對(duì)射流沖擊的作用更重要。圖 3 （A）圓針翅散熱器的帕累托最優(yōu)解決方案 （B）圓針翅散熱片設(shè)計(jì)變量在水壓= 70千帕 的沿著它的帕雷托前沿分布圖2B，3B，4B，5B，6B和7B顯示出，在水壓Dp=70kPa時(shí)，冷卻系統(tǒng)

17、的設(shè)計(jì)變量沿它們各自帕雷托最優(yōu)前沿的分布情況。可以注意到，模型規(guī)格（尺寸）被分割為一個(gè)個(gè)常數(shù)，所以設(shè)計(jì)變量可以容易的看做一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)。正如數(shù)據(jù)所示，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量的分布是很復(fù)雜的。從微通道散熱器（圖2B）的情況可觀察到最佳通道寬度不隨帕雷托最優(yōu)前沿發(fā)生顯著變化。最佳通道寬度的計(jì)算平均值約為60m。另一方面，ch隨著帕雷托最優(yōu)前沿的最佳熱阻的增加而不斷減小，而ch同時(shí)顯示了減小和增加趨勢(shì)。在圓形針翅（圖3B，4B）和交錯(cuò)帶翅（圖5B）可以看到設(shè)計(jì)變量隨著各自的帕雷托最優(yōu)前沿的顯著波動(dòng)。如圖7B所示，射流沖擊直徑幾乎不變。這是射流沖擊直徑強(qiáng)加限制的直接結(jié)果。當(dāng)Dp=30kPa時(shí)，冷卻系統(tǒng)的設(shè)

18、計(jì)變量隨各自的帕雷托最優(yōu)前沿的分布呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，但程度不同。 需重點(diǎn)注意的是沿著一條單獨(dú)帕雷托前沿曲線的點(diǎn)（如，固定壓降）不一定對(duì)應(yīng)固定的設(shè)計(jì)變量。同樣的，對(duì)于一個(gè)給定的總熱阻或泵功率，設(shè)計(jì)變量不一定是固定地從一個(gè)壓降曲線到另一個(gè)。因此，不能輕易分離雷諾數(shù)的影響和摩擦系數(shù)的影響，這使我們前面討論過(guò)的趨勢(shì)很難用物理解釋。鑒于上述規(guī)定，多個(gè)射流沖擊得以最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景來(lái)分析。如圖7A所示，在相對(duì)較低的泵力下，較低的壓降可實(shí)現(xiàn)最低的熱阻，這可能是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)相對(duì)較低的固定泵功率，流速相對(duì)較高而壓降較低。然而，這相對(duì)較高的泵力對(duì)摩擦系數(shù)的影響與低壓降不允許高流速不一樣，其斜率會(huì)隨雷諾數(shù)增大而減小。 非常

19、有趣也值得注意的是，由于壓降曲線相交的結(jié)果，最低泵功耗不一定在給定總熱阻最低的壓降處。這個(gè)觀察結(jié)果可以容易地驗(yàn)證，通過(guò)繪制一條接近壓降交叉曲線的垂直線（例：Rtot=0.18K/W，圖6A），這將導(dǎo)致最佳泵功率（最低泵力）的泵功率曲線不一定出現(xiàn)在最低壓降點(diǎn)。這些壓降曲線交點(diǎn)不僅已經(jīng)具體到目前的研究中，而且已經(jīng)被先前的研究者，如Bar-Cohen等人觀察到【43】。圖6 (A)以水為冷卻劑的單射流沖擊帕雷托最優(yōu)解決方案 (B)水壓為70kPa時(shí)單射流沖擊設(shè)計(jì)變量以及其帕雷托曲 線分布 冷卻需求，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)上述圖（圖2-7）的組合，來(lái)確定冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中一些最優(yōu)的解決方案也列在表7。3

20、.3冷卻技術(shù)之間的比較如圖8和圖9所示，在本研究中冷卻技術(shù)的比較是基于它們?cè)趦蓚€(gè)不同水壓下的各自最優(yōu)帕雷托方案。對(duì)于一個(gè)給定壓降300kPa，熱源面積為100mm2的基板（圖8），交錯(cuò)帶狀翅片散熱器提供了最佳的液體散熱性能。交錯(cuò)帶翅散熱器相對(duì)更好的性能可以歸因于導(dǎo)熱系數(shù)的提升，以及表面積的增加。在交錯(cuò)帶翅中，熱邊界層的斷開(kāi)與連接；這使其平均傳熱系數(shù)比連續(xù)平行的平板散熱器更高。除了中斷熱邊界層（外延）的生長(zhǎng)，交錯(cuò)帶狀翅片可能導(dǎo)致渦旋脫落【44】，這可以增加傳熱系數(shù)【45】。然而，傳熱系數(shù)的增加也伴隨更高的壓降和更大的泵功耗。圖7 (A)以水為冷卻劑多個(gè)射流沖擊帕雷托最優(yōu)解決方案 (B水壓為70k

21、Pa時(shí)分多個(gè)噴射撞擊設(shè)計(jì)變量以及其帕雷托 曲線分布圖8 以水為冷卻劑，30kPa壓降下的帕雷托最優(yōu)曲線圖9 以水為冷卻劑，90kPa壓降下的帕雷托最優(yōu)曲線比交錯(cuò)帶狀翅片散熱器的性能略低的是內(nèi)聯(lián)和交錯(cuò)圓針翅散熱器，其中交錯(cuò)排列顯示的性能優(yōu)于內(nèi)聯(lián)排列。圓針翅散熱器的傳熱系數(shù)高于那些連續(xù)平行散熱片。這是由于針翅表面上相對(duì)較小的邊界層厚度和管束之間大量的空隙。與交錯(cuò)式排列針翅相比，直列式排列的傳熱系數(shù)較低。Zukauskas和Ulinskas【17】得出了類似的結(jié)論，直列式的排列傳熱系數(shù)較低，但是，流體阻力比交錯(cuò)排列低。對(duì)于相對(duì)很低的泵力，低于0.05W，微通道散熱器的熱阻最低。多個(gè)淹沒(méi)射流沖擊的性能

22、明顯好于單個(gè)淹沒(méi)射流沖擊。單個(gè)射流沖擊在滯流區(qū)的傳熱系數(shù)是非常高的，但是遠(yuǎn)離滯流區(qū)時(shí)會(huì)迅速減小，所以通常使用多個(gè)淹沒(méi)射流沖擊散熱器。盡管射流沖擊的傳熱系數(shù)非常高，但其傳熱面積比平行流散熱器小的多，產(chǎn)品hAh較小。李和Vafai【4】認(rèn)為微通道散熱器相比于多個(gè)淹沒(méi)射流沖擊散熱器的表現(xiàn)好壞取決于散熱面積。然而，盡管傳熱面積小的多，但需要注意多個(gè)射流沖擊散熱器在與圓針翅散熱器有相似性能的時(shí)候，其泵功率相對(duì)較大。圖10 以HFE-7000為冷卻劑，30kPa壓降下的帕雷托最優(yōu)曲線圖11 以HFE-7000為冷卻劑，90kPa壓降下的帕雷托最優(yōu)曲線如圖9所示，在90kPa壓降下的冷卻系統(tǒng)的比較。正如預(yù)期

23、的那樣，HFE-7000與水相比，表現(xiàn)很差，在給定的泵功率下，HFE-7000的總熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水，與水做冷卻劑相似的是，交錯(cuò)翅片由于其他冷卻技術(shù)。針翅的排列幾乎不影響圓針翅散熱器的導(dǎo)熱性能。微通道散熱片相比射流沖擊散熱器在一個(gè)大的總熱阻范圍內(nèi)有更好的傳熱性能。這進(jìn)一步證明了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，對(duì)于給定應(yīng)用電子冷卻技術(shù)的冷卻劑的選用不僅決定了可被消散的最大熱通量，而且影響了冷卻技術(shù)的選擇。4. 結(jié)論 一個(gè)關(guān)于各種電子冷卻技術(shù)的全面比較分析已經(jīng)呈現(xiàn)了。這個(gè)研究課題得出的結(jié)論已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)傳熱和摩擦系數(shù)模型的優(yōu)化約束。綜合所有研究情況，需要權(quán)衡總熱阻和泵功耗。然而，每個(gè)冷卻系統(tǒng)的權(quán)衡是不一樣的。本

24、研究的主要結(jié)論如下：l 本研究中傳熱和摩擦系數(shù)模型都是在有效的研究條件下合理操作的。Manglik的有效性和Bergle的相關(guān)性【19】尚未廣泛擴(kuò)展到液體和微觀結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)該在微觀層面上做更多的液體數(shù)據(jù)試來(lái)研究其相關(guān)性。l 單目標(biāo)優(yōu)化熱阻或者泵功率未必能得到最佳的性能。多目標(biāo)優(yōu)化的方法是可取的，因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)有不同權(quán)衡的解決方案，設(shè)計(jì)師可以從中選擇以滿足他們的冷卻需求。l 冷卻劑的選擇對(duì)特定冷卻系統(tǒng)應(yīng)用的冷卻技術(shù)的選擇有顯著影響，所以，應(yīng)考慮到其他設(shè)計(jì)因素，如幾何配置，系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、成本、工藝性和環(huán)保。l 在一般情況下，交錯(cuò)帶翅散熱器的表現(xiàn)由于其他冷卻技術(shù)。性能次于交錯(cuò)帶翅散熱器的是交

25、錯(cuò)和內(nèi)聯(lián)針翅散熱器，其中交錯(cuò)排列型優(yōu)于直列排列。在相對(duì)很低的泵力下，微通道散熱器熱阻最低。l 射流沖擊有非常高的傳熱系數(shù)。但是，為了有效地利用這一技術(shù)，需要有足夠大的接觸散熱面積來(lái)增大產(chǎn)品hAh。鳴謝此項(xiàng)工作由海軍研究辦公室（ONR）支持，通過(guò)多學(xué)科大學(xué)研究創(chuàng)新計(jì)劃（MURI）授以“大功率微電子系統(tǒng)的增強(qiáng)型多級(jí)納米冷卻技術(shù)”之名。也感謝倫斯勒理工學(xué)院的支持。參考文獻(xiàn)1 B. Agostini, M. Fabbri, J.E. Park, L. Wojtan, J.R. Thome, B. Michel,最先進(jìn)的高熱流密度傳熱技術(shù), 英國(guó)傳熱工程. 28 (2007) 258281.2 D.K.

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