【液冷】电子散热新突破：热-流体动力学建模助力多热源微通道冷板设计优化

随着电子设备功率密度飙升，传统散热技术已难满足需求。开发高效冷却解决方案已成为现代热管理研究的关键领域。《Applied Thermal Engineering》发表最新研究，研究应用并验证了热-流体动力学模型，以弥补关于直通道、集流腔和蛇形微通道配置如何满足行业标准的知识空白。该模型成功预测了电子封装温度、封装间温差、热阻及压降等关键参数。

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背景

电子器件小型化与高性能化导致热流密度急剧增加，传统风冷技术（如风扇散热）的极限仅约 100 W/cm²，而微通道液冷技术凭借超高换热系数（HTC），可轻松突破 790 W/cm²。但微通道设计面临三大难题：

① 压降过高（如蛇形通道压增10倍）

② 温度均匀性差（多热源场景下温差显著）

③ 制造工艺复杂（需高精度加工与流体过滤）

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研究方法

研究团队开发了Thermal-Hydrodynamic Model (THM)模型，通过宏-介-微三尺度分析，快速评估三种微通道构型性能：

直通道（Straight）：结构简单，压降预测误差<10%

蛇形通道（Serpentine）：换热更强（努塞尔数提升35%），但需控制迪恩数（De≤40）

歧管通道（Manifold）：需满足入口比（IR≤0.13）和流速比（VR=1）

模型优势：

✅ 秒级计算：相比传统仿真（数小时），THM实现“近乎瞬时”分析
✅ 精准预测：热阻误差<10%（需≥23条沟槽），压降误差<15%
✅ 多目标优化：平衡温度、压降、均匀性，冷却功耗可降低2-5.2倍

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研究结果

（1）温度控制：

        串行冷却（Serial）比并行（Parallel）降低最高1.7°C（减少热扩散阻力）

         湍流设计（Re>3500）可进一步提升换热，但需权衡压降代价

（2）压降低配：

       歧管通道在IR>0.13时，压降预测误差达32.7%（因忽略90°转向损失）

        蛇形通道的弯曲段是压降“重灾区”（迪恩涡效应显著，需De≤40）

（3）制造约束：

         微铣削铝通道：最小宽度0.2mm，深宽比≤3

         CNC加工铝通道：最小宽度2mm，深宽比≤4

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可借鉴方法

以100个热源的电子模块为例，THM结合优化策略快速锁定最佳方案：

  ① 构型：蛇形通道（CGR=1/4）

  ② 分布方案：50条并行冷却线（Hybrid）

  ③ 性能：压降0.5 bar，温差<5K，最高温度<55°C

优化秘诀：
🔹 先并行后串行：优先测试高CGR歧管+全并行方案
🔹 迭代降CGR：逐步转向蛇形设计以降低压降

通过热-流体动力学建模分析，笔者旨在更高效的提出微通道冷却解决方案。