東南大學許波團隊：突破極限，金剛石散熱新技術

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研究背景

隨著電子設備工作頻率提升，雷達、氮化鎵（GaN）功率器件等熱流密度需求已達5-10kW/cm2)，傳統(tǒng)微通道散熱器（MHS）散熱能力僅<2 kW/cm2，存在嚴重熱失控風險。

傳統(tǒng)方案局限：基材硅、銅等傳統(tǒng)基材導熱率低（硅 148W/(m?K)、銅～400W/(m?K)），無法快速傳導高熱流；結構：毫米級微通道散熱能力僅300W/cm2，且針翅單一導致流場擾動不足；性能：現(xiàn)有 MHS 熱阻普遍>0.03 K. cm2/W，無法滿足近結冷卻的低阻需求。

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研究成果

近日，東南大學許波團隊提出了一種基于金剛石微通道散熱器（MHS）的近結冷卻技術，該技術采用創(chuàng)新的腰形針翅與圓柱形和翼型相結合，研究了邊界條件和幾何尺寸對傳熱的影響。

結果表明，低質(zhì)量流量時，微通道內(nèi)會產(chǎn)生熱積聚，加劇熱點溫度的升高，而針翅的結構參數(shù)對熱點溫度的影響有限，但對流動和傳熱性能有顯著影響，為使傳熱過程中的不可逆損失最小化，傳熱強化效果最大化，推薦的參數(shù)為：翼片角度為45 °，短軸長度為7 μm，距原點中心的距離為50 μm，以及腰形針翅數(shù)為16。

值得注意的是，與毫米級MHS相比，微米級MHS表現(xiàn)出33.3%的散熱極限增加，這歸因于尺寸效應。此外，復合針翅通過流動加速和二次流誘導增強傳熱。

這種方法實現(xiàn)了前所未有的MHS散熱極限7300 W/cm2，該系列產(chǎn)品的傳熱系數(shù)提高到661.6 kW/m2·K，壓降降低到132.4 kPa，總熱阻降低到0.0059 K cm2/W，具有國際領先的性能，為氮化鎵（GaN）功率器件的超高熱流熱管理提供國際領先方案。

研究成果“Micrometer-scale composite pin-fin diamond microchannel heat sink for near-10-kilowatt-level chip thermal management”為題發(fā)表在《Energy》。

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圖文導讀

圖8.針翅結構對微通道溫度的影響。

圖9.工況和鰭片結構對MHS水力性能的影響。

圖10.用于數(shù)據(jù)簡化的熱阻網(wǎng)絡的截面圖。

圖11.幾何形狀對熱阻的影響。

圖12.微通道散熱器的COP隨翅片結構參數(shù)的變化。

圖13.熱性能系數(shù)隨微通道翅片幾何形狀的變化。

圖16.不同入口溫度下的熱性能分析。