さまざまな種類のリブとコーンを備えたマイクロチャネル ヒートシンクの性能向上と熱力学的評価

Nov 12, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10802 (2022) この記事を引用

1317 アクセス

2 引用

メトリクスの詳細

本研究は、熱力学の第 1 法則と第 2 法則に基づいて、数値シミュレーションによってマイクロチャネル ヒートシンクの性能を調査することを目的としています。 長方形のマイクロチャネル ヒートシンクの熱伝達と流動特性は、6 種類の異なる表面強化剤を添加することによって改善されました。 断面には、長方形、三角形、六角形のリブとコーンが含まれます。 コーンは、ベースに対して直角 45°の角度で抜き勾配を付けることによってリブの同じ断面から作成されており、これにより圧力損失が大幅に減少すると予想されます。 リブとコーンの性能は、摩擦係数、壁せん断応力、エントロピー生成率、増大エントロピー生成数、熱抵抗、熱エネルギーの輸送効率などのさまざまなパラメーターを使用して評価されています。 本研究の結果は、45°の角度でのコーニングの新しい効果が摩擦損失を低減することを明らかにしました（最大圧力損失の低減は 85% です）。 熱挙動については妥協が示さ​​れています (最大ヌッセルト数の減少は 25%)。 同様に、コーニングの適用により壁せん断応力と摩擦係数が大幅に減少し、ポンプ動力要件の低減につながる可能性があります。 さらに、三角形のリブは、長方形や六角形のリブよりも熱エネルギーを伝達する能力が高くなります。 さらに、本研究では、三角形リブの総エントロピー生成率の傾向が Re = 400 まで減少し、その後増加することが調べられました。これは、低レイノルズ数では熱損失が摩擦損失よりも重要であることを意味します。 ただし、レイノルズ数が高くなると摩擦損失が熱損失よりも大きくなり、特に三角形のリブで渦が発生します。

集積回路の技術進歩はますます進み、最小サイズに重い回路が集積した結果、発生する熱流束が増加しています1、2、3、4、5。 その結果、従来の方法以外の効率的な冷却技術が求められるようになりました。 マイクロ電気機械システムの分野における急速な発展により、研究者は新しいマイクロ冷却技術を開発するよう動機付けられています。 マイクロヒートパイプ、マイクロ電気流体力学、マイクロチャネルヒートシンクなど、数多くの技術がこれまでに開発されてきました6。 これらの技術の中で、マイクロチャネル ヒートシンク (MCHS) が最も効率的であることが証明されています。 この研究は、1981 年に Tuckerman と Pease7 によって初めて行われ、シリコン マイクロチャネル ヒートシンクにおける熱伝達を示しました。 研究は主に、790 W/cm2 の速度で熱を除去するマイクロチャネル ヒートシンクの能力に焦点を当てました。 彼らは、ヒートシンクによって提供される体積表面積が大きくなり、熱効率が大幅に向上したことを示しました。 マイクロチャネル ヒートシンクは、単相液体の流れを組み込んだ最先端の熱交換技術です。 単相液体流用のマイクロチャネルの用途は、電子デバイスの冷却目的、航空宇宙技術、およびレーザー技術を使用するプロセス装置です8。

それ以来、マイクロチャネル ヒートシンクの必要性が高まり、滑らかな長方​​形のマイクロチャネル内の熱流のパターンを調査するために数多くの実験的および数値的研究が行われてきました。 MCHS の熱性能の向上に関しては、ポンプの消費電力と漏れのリスクが増加するため、マイクロチャネルでの圧力降下などの制約がいくつかあります。 さらに、チャネルのサイズが小さいため、直線領域での流れが硬くなり、不規則な流れと比較してパフォーマンスが低下します。 負荷熱が継続的に増加し、電子部品の温度測定に対する細心の注意が必要なため、線形の基本チャネルではそのニーズを満たすことが困難になっています。 その結果、研究の焦点は、マイクロチャネルにおける熱伝達性能を向上させるために利用できる受動的な方法および技術に向けられてきました。 たとえば、Steinke と Kandlikar9 は、マイクロチャネル内の熱流の強化に役立つ可能性のあるいくつかの技術を提案しました。 注目に値する技術の 1 つは、断片化された構造を使用して混合の流れを強化し、境界面を破壊して局所的な熱伝達係数を高める混合機能を組み込むことです。