换热器的研究与设计方法

（一）项目背景

微电子领域遵循摩尔定律飞速发展,伴随晶体管集成度的不断提高,高速电子器件的热密度已达1000W/cm2,散热已经成为其发展的主要“瓶颈”,传统的强制风冷已经无法满足这些需求。因此，需要结构紧凑、换热效率高的冷却设备。小型通道液冷换热器因其传热面积大、结构紧凑而受到广泛研究，成为未来换热器发展趋势。微通道换热器性能的好坏，直接影响到电子芯片或其他电子产品的使用性能甚至使用安全。微通道换热器底板温度均匀性直接影响到微通道换热器的性能。因此，如何提高微通道换热器底板温度均匀性是迫切需要解决的问题。

（二）项目简介

项目负责人及其团队具有多年换热器流道设计经验，目前已完成数十种不同类型液冷换热器设计研究。其中部分换热器投入项目使用，经实践证明本团队设计的液冷换热器散热能力极佳，能够对高热流密度热源实现出色的电子芯片/锂离子电池控温效果。

（三）关键技术

实验室经过拓扑优化，仿生学，遗传算法等方式进行流道设计，可以对高热流密度热源下实现很好的控温效果。

（1）基于结构化设计理论的新型换热器结构设计：例如课题组提出的一种新型换热器：采用截断及汇流等通道，增加流道内流体扰动性，从而强化换热器散热效果。如图1所示为传统结构换热器，图2为交错双P型微通道换热器结构。经过仿真实验验证，交错通道结构换热器散热效果优于传统结构换热器。

图 1 传统结构换热器

图 2 交错双 P 型微通道换热器

（2）流动工质：基于液态金属设计出短流道换热器。

图3 基于液态金属的T-Y型微通道换热器

（3）结合仿生学理念，利用拓扑优化方法，先后设计仿生拓扑换热器， 例如仿蜘蛛网拓扑优化设计，仿蜂窝拓扑优化换热器等。图4为仿蜘蛛网结构换热器，图5为仿蜂窝结构换热器。

图4 仿蜘蛛网拓扑优化换热器

图5 仿蜂窝拓扑优化换热器

（4）多学科交叉共融，将拓扑优化和锂离子电池一维生热模型相耦合，设计了性能更优的换热器。项目组对电化学进行研究，如图6所示，给出了P2D电化学模型。图7为用于锂离子电池散热的拓扑优化换热器结构。

图6 P2D电化学模型

图7 锂离子电池的拓扑优化换热器

目前已有诸多换热器样品，如图8，图9所示为换热器实物图。

图8 仿蜘蛛网换热器实物图

图9 基于多目标拓扑优化换热器