CN112949250A - 一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法 - Google Patents

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李辉
黄贻苍
申胜男
赵亮
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Abstract

本发明涉及一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法。先建立传统圆柱微针肋热沉的二维传热模型并对其进行数值计算，对其流动特性和传热特性进行分析；再将其速度云图中的低流速区域的二维轮廓提取出来，并基于此设计出新型微针肋热沉的三维模型；接着将设计出的新型微针肋热沉三维模型和传统的MCFHS三维模型在相同条件下进行数值计算与对比分析。根据本发明设计方法设计的新型微针肋具有更大横截面积和流线外形，获得了更大的流固接触换热面积，提升了传热效率，并且消除了传统MCFHS中圆形针肋尾流区域中的涡流，减少了压力损失，流动性能更好，传热效率更高，提升了热沉的整体冷却性能。

Description

一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法
技术领域
本发明属于热能工程技术领域，具体涉及一种适用于高功率电子集成器件微通道热沉的结构设计优化方法。
背景技术
随着微电子机械系统(Micro Electro-Mechanical System,MEMS)向着高度集成化、微型化方向快速发展，MEMS中能量密度不断提升，伴随而来的是系统内部芯片热量的不断增加，这使得其对热管理设备的散热性能要求愈发严苛。在1981年，微通道热沉(Microchannel heat sink,MCHS)的提出为大功率电子设备提供了一种高效的冷却技术。在后续对MCHS的研究中，研发人员通过优化其尺寸参数、内壁形状、通道结构等，获得了较好的冷却性能。
与传统的MCHS相比，微针肋热沉(Micro-pin-fin heat sink,MPFHS)能够实现更低的热阻和芯片表面更均匀的温度分布，冷却性能更好。MPFHS的针肋种类较多，有圆形、三角形、正方形、椭圆形、菱形和六边形等，针肋的排列分为直线和交错排列，其中在热沉整体结构尺寸相同时，交错排列的微圆形针肋热沉(Micro-circular-fin heat sink,MCFHS)的冷却性能要优于上述其它针肋类型的散热器。
然而，通过对现有MCFHS的传热特性和流动特性的分析发现，圆形针肋下游尾流区的热通量较低，这说明与尾流区域外的较强流动换热效率相比，尾流区的流动和冷却能力较差，加之由于流动分离而产生的涡流造成的压力损失，MCFHS的散热性能难以满足更高能量密度的MEMS散热问题。因此，MCFHS的流动传热特性需要进一步优化以提高其整体散热性能。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于轮廓提取的热沉结构设计优化方法，提取传统微针肋热沉中低速流区域的轮廓，并将其作为改进的新型针肋形状轮廓，获得改进的微针肋热沉结构，来提高低流速区域的传热效率，进而提升散热器整体的冷却性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法，包括如下步骤：
S1.通过流固共轭二维传热模型对传统的MCFHS进行流动特性和传热特性分析获取其速度云图；
S2.将所述步骤S1中速度云图中的低速区域的轮廓提取出来，作为新型针肋的2D轮廓；
S3.基于获得的新型针肋2D轮廓进行拉伸，建立新型针肋热沉的三维模型；
S4.对新型针肋微通道热沉的水力性能和热力性能进行分析，并与传统MCFHS作对比，验证新型针肋微通道热沉散热的高效性。
进一步地，所述步骤S1中，其具体包括：
S11.获得传统MCFHS的详细几何参数；
S12.由于圆形针肋的排列具有周期性，故可将其简化为具有对称边界条件的传统MCFHS的2D模型，并用CFD软件对S12中的2D模型进行仿真计算，获得其流动特性和传热特性，并进行分析。
进一步地，所述步骤S2中，其中低速区域取值为速度云图中最大速度的1/3。
进一步地，所述步骤S3中，其具体包括：
S31将S2中所获得的新型针肋的2D轮廓进行拉伸，获得新型针肋的3D形状；
S32采用同传统MCFHS相同的排列方式、针肋位置、以及相同的其它模型参数，建立使用新型针肋微通道热沉的3D模型。
进一步地，所述步骤S4中，其具体包括：
S41.用CFD软件分别对传统MCFHS的3D模型和新型针肋微通道热沉的3D模型进行仿真计算，获得对应的流动特性和传热特性；
S42.将新型针肋微通道热沉的流动及传热特性与传统MCFHS进行比较，分析在相同条件下新型针肋微通道热沉相比传统MCFHS的散热性能。
本发明相对于现有技术取得了以下有益的技术效果：
基于同一流程，可以提取出不同入口流速下的传统针肋微通道中低流速区域轮廓来建立与入口流速相对应的新型针肋微通道热沉，以满足不同入口流速下的工作要求，且该方法可对多种传统的其他类型针肋微通道热沉进行改进，获得相对应的新型针肋微通道热沉，提升其冷却性能，适用范围较广。其具体为：
(1)本发明将传统MCFHS的速度云图中的低速轮廓提取出，获得的新型针肋具有更大的横截面积和流线外形，消除了传统MCFHS中圆形针肋尾流区域中的涡流，获得了更大的流固耦合换热面积，更高的流速，提升了热沉的冷却性能；
(2)在相同条件下，与传统MCFHS相比，应用新型针肋的微通道热沉平均温度和最高温度更低、整体热阻更小、底面温度分布更加均匀、对流换热性能更好；
(3)本发明适用于多种类型的传统针肋微通道热沉的改进，适用范围较广。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为传统MCFHS的三维模型。
图3为具有对称边界条件的传统MCFHS的简化二维模型。
图4为提取出的传统MCFHS圆柱针肋周围低流速区域轮廓。
图5为优化后的新型微针肋热沉。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
如图2所示为本实例中的优化对象，即传统MCFHS，其整体尺寸为25mm*25mm*2.5mm，使用的固体基板材料为铜，冷却液为水。依据本发明所设计的基于轮廓提取的热沉结构设计方法，其优化设计过程包括以下步骤：
S1：通过流固共轭二维传热模型对图2中传统MCFHS进行流动特性和传热特性分析；
S2：将圆柱针肋周围的低速区域轮廓提取出来，作为新型针肋的2D轮廓；
S3：基于获得的新型针肋2D轮廓，建立新型针肋热沉的三维模型；
S4：对新型针肋微通道热沉的水力性能和热力性能进行分析，并与传统MCFHS作对比，验证新型针肋微通道热沉散热的高效性。
该设计方法的流程示意图如图1所示。
其中，步骤S1的具体过程为：(1)获得传统MCFHS的详细参数，例如圆形针肋的直径，针肋间距等。本实例中所使用的传统MCFHS的长度为25mm，宽度为25mm，高度为2.5mm，圆柱针肋直径0.5mm、高度1.5mm，底壁和顶壁厚度均为0.5mm，底面为贴合热源面。(2)由于圆形针肋的排列具有周期性，故可将其简化为长25mm，宽1mm，上下为对称边界条件的传统MCFHS的2D模型，如图3所示。使用流固耦合共轭传热方法对其进行数值仿真计算，获得其流动特性和传热特性。
步骤S2的具体过程为：(1)将S1中仿真计算所得的结果导入后处理软件，获得其速度场分布信息。(2)将速度云图中低速区域的轮廓提取出来，作为新型针肋的2D轮廓，如图4中圆柱周围轮廓。
步骤S3的具体过程为：(1)将S2中所获得的新型针肋的2D轮廓进行拉伸，获得新型针肋的3D形状。(2)采用同传统MCFHS相同的针肋排列方式及针肋间距，以及相同底壁和顶壁厚度和相同的针肋高度，建立使用新型针肋微通道热沉的3D模型，如图5所示。
步骤S4的具体过程为：(1)用流固耦合共轭传热方法分别对传统MCFHS的3D模型和新型针肋微通道热沉的3D模型进行仿真计算，获得对应数值计算结果，以便于分析其流动特性和传热特性的差异，验证设计方法的有效性。(2)将新型针肋微通道热沉的流动及传热特性与传统MCFHS进行比较，分析在相同条件下新型针肋微通道热沉的流动及传热特性、热阻、平均温度、局部最高温度、底面温度差相比传统MCFHS有何变化。计算结果显示，在相同的冷却液泵出功率下，此实例中为0.008W，新型针肋微通道热沉的底面最高温度比传统MCFHS低24％，整体热阻降低19％，底面温度差下降26％。
本发明采用轮廓提取的方法，提取出传统MCFHS速度云图中的低流速区域轮廓，并基于此设计出新型针肋微通道热沉。新型针肋微通道热沉具有更大的横截面积和流线外形，获得了更大的流固作用面积，提升了传热效率，并且消除了传统MCFHS中圆形针肋尾流区域中的涡流，减少了压力损失，流动性更好，传热效率更高。此外，通过分析对比在相同初始条件下的数值计算结果发现，新型针肋微通道热沉的热阻、平均温度、局部最高温度、底面温度差均低于传统MCFHS，提升了散热器的冷却性能。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.通过流固共轭二维传热模型对传统的MCFHS进行流动特性和传热特性分析获取其速度云图；
S2.将所述步骤S1中速度云图中的低速区域的轮廓提取出来，作为新型针肋的2D轮廓；
S3.基于获得的新型针肋2D轮廓进行拉伸，建立新型针肋热沉的三维模型；
S4.对新型针肋微通道热沉的水力性能和热力性能进行分析，并与传统MCFHS作对比，验证新型针肋微通道热沉散热的高效性。
2.根据权利要求1所述的一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，其具体包括：
S11.获得传统MCFHS的详细几何参数；
S12.由于圆形针肋的排列具有周期性，故可将其简化为具有对称边界条件的传统MCFHS的2D模型，并用CFD软件对S12中的2D模型进行仿真计算，获得其流动特性和传热特性，并进行分析。
3.根据权利要求1所述的一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法，其特征在于,所述步骤S2中，其中低速区域取值为速度云图中最大速度的1/3。
4.根据权利要求1所述的一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，其具体包括：
S31将S2中所获得的新型针肋的2D轮廓进行拉伸，获得新型针肋的3D形状；
S32采用同传统MCFHS相同的排列方式、针肋位置、以及相同的其它模型参数，建立使用新型针肋微通道热沉的3D模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于轮廓提取的热沉结构设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，其具体包括：
S41.用CFD软件分别对传统MCFHS的3D模型和新型针肋微通道热沉的3D模型进行仿真计算，获得对应的流动特性和传热特性；
S42.将新型针肋微通道热沉的流动及传热特性与传统MCFHS进行比较，分析在相同条件下新型针肋微通道热沉相比传统MCFHS的散热性能。
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