论文标题：Flow and thermal modeling of liquid metal in expanded microchannel heat sink

期刊：Frontiers in Energy

作者：Mingkuan ZHANG, Xudong ZHANG, Luna GUO, Xuan LI, Wei RAO

发表时间：15 Dec 2023

DOI：10.1007/s11708-023-0877-5

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文章简介

本文针对液体金属微通道散热器（MCHS）在高功率散热中因冷却剂热容量低导致的温度骤升问题，提出了一种扩展微通道散热器（E-MCHS）的设计。通过正交实验发现，扩展散热片顶部空间可有效降低冷却剂与散热器的温升，其效果与调整通道宽度相当。研究结合三维数值模拟和一维热阻模型，分析了E-MCHS的热力与流动特性，推导了改进的鳍片效率公式，提升了一维模型的预测精度。结果表明，扩展空间通过增强Z方向热传导及鳍片顶部的对流传热，显著降低了总热阻（最高达36.0%），同时减少压降与泵送功率。该设计特别适用于低通道高宽比、低流速或长散热器的场景。此外，研究揭示了通道高宽比、流速及散热器长度对性能的影响规律，并通过实验验证了铜与硅基材料的适用性。该成果为高功率电子器件的热管理提供了新的优化思路，具有重要工程应用价值。

研究背景及意义

随着高功率电子器件性能的快速提升，其热管理面临严峻挑战。液体金属微通道散热器（MCHS）因具备高热导率，成为高功率散热的重要选择。然而，传统MCHS依赖液态金属作为冷却剂时，受限于其低比热容，散热过程中易出现冷却剂和散热器温度骤升的问题，导致热阻升高、温度分布不均。现有研究多通过优化通道结构或提升冷却剂热导率改善散热，但前者常伴随复杂结构和高压降，后者如纳米流体易沉降且难以满足超高热流需求，而液态金属虽性能优异，但其热容量不足的短板仍未有效解决。本文针对液态金属冷却剂的这一问题，提出了E-MCHS结构，旨在降低液态金属的温升，提高散热效率。

研究内容及结论

文章首先阐述了E-MCHS通过提升盖板（h₂>0）或截断鳍片（h₂<0）形成扩展空间，增加冷却剂流通面积。

图1 MCHS和E-MCHS的结构

利用修订后的经验相关1D热阻模型和数值模拟，计算MCHS和E-MCHS的传热和流动性能，并计算了E-MCHS的鳍片效率。在此过程中考虑了鳍片与冷却液在顶部表面的传热，从而改进1D热阻模型，使其能更精准地反映热传递过程。构建3D流动和传热共轭数值模型，对流体和固体区域设置相应假设和方程。通过设定入口、出口条件及热通量等参数求解方程，获取速度和温度分布，进而计算热阻。经与文献数据及关联式对比，验证了模型的准确性。

图2 三维共轭数值模拟模型

采用正交实验，选取鳍片高度h、δ（δ=h₂/H）、散热器长度L和通道宽度Wc四个因素进行分析。结果显示，δ和W_c对散热器最高温度的调节作用相近，h和L是影响散热器性能的关键因素。分别探讨h₂、通道纵横比、U_m、结构材料和散热器长度对热阻、压降和泵功率的影响。发现h₂在一定范围内增加可降低热阻；增大通道纵横比或U_m会削弱扩展通道的优势；结构材料从硅换为铜可降低热阻；散热器长度增加时，扩展通道的增益更明显。研究R_cal、R_conv和R_t随h₂的变化关系。结果表明，随着∣h₂∣增加，R_t和R_cal下降，R_conv先降后升。扩展通道能改变热传递方式，提升散热效果。

图3 R、R_cond、R_conv和R_cal随n的变化

正交实验证实扩展通道是调控E-MCHS性能的重要手段。合适范围h₂可增强E-MCHS的冷却能力，在特定工况下，即使以压力或泵功率为评估指标，E-MCHS仍具优势。扩展流动通道对低鳍片、窄空间或低流速等高热容量热阻的散热器有显著优化作用，且存在最佳h₂值，其随鳍片参数和冷却液热性能变化。

文章信息

Flow and thermal modeling of liquid metal in expanded microchannel heat sink

Mingkuan ZHANG, Xudong ZHANG, Luna GUO, Xuan LI, Wei RAO*

Abstract:

Liquid metal-based microchannel heat sinks (MCHSs) suffer from the low heat capacity of coolant, resulting in an excessive temperature rise of coolant and heat sink when dealing with high-power heat dissipation. In this paper, it was found that expanded space at the top of fins could distribute the heat inside microchannels, reducing the temperature rise of coolant and heat sink. The orthogonal experiments revealed that expanding the top space of channels yielded similar temperature reductions to changing the channel width. The flow and thermal modeling of expanded microchannel heat sink (E-MCHS) were analyzed by both using the 3-dimensional (3D) numerical simulation and the 1-dimensional (1D) thermal resistance model. The fin efficiency of E-MCHS was derived to improve the accuracy of the 1D thermal resistance model. The heat conduction of liquid metal in Z direction and the heat convection between the top surface of fins and the liquid metal could reduce the total thermal resistance (R_t). The above process was effective for microchannels with low channel aspect ratio, low mean velocity (U_m) or long heat sink length. The maximum thermal resistance reduction in the example of this paper reached 36.0%. The expanded space endowed the heat sink with lower pressure, which might further reduce the pumping power (P). This rule was feasible both when fins were truncated (h₂ < 0, h₂ is the height of expanded channel for E-MCHS) and when over plate was raised (h₂ > 0).

Keywords:

liquid metal cooling; heat sink; expanded microchannel; flow and thermal modeling

Cite this article:

Mingkuan ZHANG, Xudong ZHANG, Luna GUO, Xuan LI, Wei RAO. Flow and thermal modeling of liquid metal in expanded microchannel heat sink. Front. Energy, 2023, 17(6): 796–810 https://doi.org/10.1007/s11708-023-0877-5

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通讯作者简介

饶伟，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师。长期从事液态金属、低温生物医学及微纳米技术的交叉科学问题研究。近年来，连续在Advanced Materials，ACS Nano, Nano Energy, Nano Letters等国内外学术刊物发表100多篇高水平期刊论文，获授权发明专利12项。主编《纳米液态金属材料学》及《先进低成本医疗技术》两部著作。相关研究成果获《人民日报》公众号亮点报道。入选中国科学院理化技术研究所“引进国外优秀人才计划”，北京市青年人才托举计划，北京制冷学会科技新星等。获中国制冷学会青年科技奖，中国科学院必和必拓导师科研奖，中国科学院朱李月华优秀教师奖，中国科学院北京分院科技成果转化特等奖。目前，担任中国科学院低温工程学重点实验室副主任、低温生物医学工程学北京市重点实验室副主任、液态金属技术联合研究中心主任等职务。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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