IGBTにおけるマイクロチャネル冷却の応用研究

マイクロチャネル冷却は、基板上のマイクロスケール チャネルのエッチングです。熱は、基板を通って伝導された後、マイクロチャネル内を流れる作動流体によって運び去られます。これは効率的な冷却方法であり、次の分野で大きな発展の見込みがあります。 電子計算機チップの冷却、航空宇宙およびその他の分野。概念が提唱されて以来、国内外の学者によって広く関心を集めてきましたが、マイクロチャネルの熱伝達メカニズムは比較的複雑であり、まだ解明されていません。マイクロ電子デバイスの熱管理の分野におけるマイクロチャネル冷却技術の応用の見通しを探るために,既存の研究を分析し,評価した。

1. マイクロチャネルのサイズ構造

マクロ スケールとマイクロ スケールのチャネルを区別する基準は、非常に重要なトピックです。これは、理論研究のチャネル設計、相関の適用範囲などに影響を与えるだけでなく、実際のアプリケーションでのチャネルサイズの選択と処理に重要な指針となる重要性を持っています。初期の学者は、マイクロチャネルと従来のチャネルの違いについて多くの研究を行ってきました。KANDLIKAR は、水力直径に基づいて、さまざまなタイプのチャネルの直径範囲を示します。ただし、THOME のレポートでは、チャネルのサイズのみに基づいてミクロ スケールとマクロ スケールを区別することは完全に合理的ではなく、流体の特性も同時に考慮する必要があると指摘しています。チャネルの直径が小さくなると、変化して流れに影響を与える多くのパラメータがあるためです。マイクロチャネルを従来のチャネルと区別するために、一部の研究者は、マイクロチャネルの定義について異なる基準を提唱しています。

航路水力直径による分割方法を表 1 に示す．この規格は、熱交換器の応用と当時の機械製造技術を総合的に考慮し、対応する参考文献を示しています。

フロー沸騰では、マクロスケール チャネルからマイクロスケール チャネルへのしきい値は、まだ一般的に受け入れられている基準を形成していません。一部の学者は、マイクロチャネル (100 μm ≤ D ≤ 4.2 mm) とさまざまな試験流体 (脱イオン水、FC-72、H2O、R11 など) の二相流実験データをまとめています。関連する研究の分析に基づいて、マクロ スケール チャネルからマイクロ スケール チャネルへのしきい値は、気泡の脱出直径と気泡の凝集、およびマクロ スケールとマイクロスケールでは気泡限界を考慮する必要があります。力の観点から、チューブ内の流動沸騰における気泡の分離は、表面張力と浮力によって制御されます。一部の学者は、制限番号 (Co、閉じ込め番号) を使用した分割方法を提案しています。Co 数は、チャネル内の表面張力と重力の相対的なサイズを表します。Co > 0.5 の場合、熱伝達と流れの特性は、大きなチャネルで観察されるものとは大きく異なります。したがって、Co > 0.5 は、マイクロ チャネルの分割基準と見なすことができます。この極限数Coを引用した分割方法は、気泡力解析で判断されるマイクロ流路の分割方法の代表的なものであり、ある実験条件に基づいて提案されたものである。異なる実験条件で得られた基準は異なるため、一般的に同様の実験条件での理論研究の参考として使用されます。

現在、産業用アプリケーションの分野では、水力直径 D ≤ 1 mm のチャネルをマイクロチャネルと呼ぶことができると広く考えられています。

マイクロチャネルの構造は、マイクロチャネルの伝熱性能に大きな影響を与えます。合理的なマイクロチャネル形状の設計は、伝熱を強化するための鍵です。学者は、さまざまなマイクロチャネルの製造、フロー パターン、圧力損失特性、およびさまざまなチャネル構造下での熱伝達特性を含む、マイクロチャネル構造に関する多くの研究を行ってきました。

最も初期に提案された並列マルチチャネル シリコン チャネル構造から始まり、人々はさまざまなマイクロチャネルの構造と形状を研究して、熱伝達性能を向上させてきました。マイクロチャネルの断面形状に関して、学者は、円形、三角形、長方形、台形などの断面形状を持つマイクロチャネルを調査し、さまざまな断面形状での放熱性能を分析しました。断面形状の違いが放熱性能に大きく影響することがわかりました。規則的な形状の断面に加えて、学者は断面の凹面マイクロチャネルなどの不規則な形状の構造も研究しており、これは BCT (埋め込みチャネル技術) と呼ばれます。シリコン基板に埋め込みチャネル加工技術を用いて製造。溝の深さと幅はそれぞれ75μmと5μmで、マイクロチャネル内の流体の流れに新しい経路を提供します。一部の学者は、200μm×253μmの幾何学的サイズで、側壁に凹型のΩ溝を備えた新しいタイプのマイクロチャネルを提案しました。チャネルは相互に接続されていません。実験結果は、溝のあるマイクロチャネルが気泡の核形成を促進し、臨界熱流束を大幅に増加できることを示しています。急速な気泡成長の不安定性を緩和し、流体沸騰の不安定性を緩和します。一部の学者は、RPM (reentrantporous microchannels) と呼ばれる粉末焼結技術を使用して、Ω 形状のマイクロチャネルを備えた再入可能な多孔性マイクロチャネルを設計しました。油圧直径 786 μm。実験は、構造がマイクロチャネル単相流と二相流の伝熱性能を大幅に改善し、二相流の不安定性を低減できることを示しています。一部の学者は、マイクロ チャネルの側壁溝のパラメーターの 3 次元数値解析と最適化を実行し、溝の先端の長さの比率が 0.5 の台形の溝を得ました。溝の深さの比率が 0.4、溝のピッチの比率が 3.334、溝の方向の比率が 0 のマイクロチャネルは、最高の熱伝達性能と最小の流れ抵抗を示します。マイクロチャネル内の流れを改善し、熱伝達性能を向上させるために、研究者は、波形形状、ピンフィン形状、円筒形斜めフィン、スタガードフィン、ダブルフィンなど、さまざまな流路形状を備えた多くのマイクロチャネル熱交換器も設計しました。 . 層などのマイクロチャネル熱交換や小さなキャビティを備えたマイクロチャネル熱交換器など. 学者はまた、いくつかの特殊な構造の流路について研究を行っており、いくつかの特殊な構造の流路を使用すると、熱伝達を促進する効果がある可能性があることがわかりました. .例えば、直線状のマイクロ流路が改良され、矩形断面の波型マイクロ流路が提案されている。単相シミュレーション結果は、波状マイクロチャネルが渦電流を生成し、対流熱伝達係数を改善し、線形マイクロチャネルよりも圧力損失が小さいことを示しています。この研究はまた、流れ方向に沿った相対的な振幅の変化が、マイクロチャネルのコンパクトさと効率に大きな影響を与えないことを示しています。ウェーブマイクロチャンネルの波長を短くすることで、装置の温度分布をより均一にし、局所的な過熱の発生を減らすことができます。3 種類の相互接続された多孔性マイクロ チャネル ネットワークは、銅粉の焼結とワイヤ放電加工によって作製されました。テストでは、0.4 mm 多孔質相互接続マイクロチャネルが最高の熱伝達性能と二相流の不安定性を緩和する能力を持っていると結論付けられました。さらに、一部の学者は、葉脈マイクロチャネル トポロジー、人間の気管ツリー トポロジー、クモの巣トポロジー、川のネットワーク構造、ハニカム構造、昆虫の翼の静脈構造などのバイオニック マイクロチャネル トポロジーを設計しました。

数値計算結果によると、長方形のチップと比較して、川のネットワーク構造を除いて、各生体模倣マイクロチャネルのトポロジー構造は、通常の長方形の平らなマイクロチャネルよりも強い熱放散能力を持っています。また、チップの熱流束密度の増加に伴い、さまざまなマイクロチャネル構造の熱放散能力の違いがより明白になります。したがって、高熱流束密度チップのアプリケーションでは、マイクロチャネルトポロジーがチップの放熱効果に大きな影響を与えます。実験によると、蜘蛛の巣構造には、大きな熱放散比表面積、高い平均対流熱伝達係数、および優れた流体流動性能という利点があることがわかりました。その包括的な熱放散性能は最適であり、入口と出口の圧力損失は低く、優れた工学的応用価値があります。

マイクロチャネル構造に関する広範な研究により、マイクロチャネル冷却技術の優れた熱放散の可能性と幅広い開発の見通しが実証され、その後のマイクロチャネル冷却技術のさらなる普及と応用のための強固な基盤も築かれました。サイズ構造に加えて、チャネル内の流体の相変化も、マイクロチャネルの熱放散能力に影響を与える重要な要因の1つです。流体相が変化するかどうかに応じて、マイクロチャネル技術は、マイクロチャネル単相冷却とマイクロチャネル流沸騰 (二相) 冷却の 2 つのタイプに分けることができます。以下では、単相および二相マイクロチャネルに関する既存の研究をレビューし、分析します。

2. マイクロチャネル S単相 Cウーリング T技術

単相冷却とは、冷却媒体が冷却プロセス全体を通して同じ状態 (通常は液体) のままであり、沸騰や凝縮がないことを意味します。従来のスケールの単相冷却装置（システム）と比較して、マイクロチャネル単相冷却装置（システム）は、同じ体積の下でより大きな伝熱面積とマイクロスケールの効果を持ち、全体的な放熱性能がより強力です.水がマイクロチャネル単相実験研究の焦点であることがわかります。現在、マイクロチャネル冷却技術の電子チップ冷却分野への応用に大きな期待が寄せられています。したがって、多くの実験的研究では、電子チップを熱源として直接使用して、マイクロチャネルヒートシンクの熱伝達性能を分析しています。実験でテストされたマイクロチャネルの長さのほとんどは、10 ～ 20 mm の範囲です。

対照的に、モジュラー IGBT モジュール製品に関する研究はほとんどありません。IGBT パッケージ モジュールの全体的なサイズは、コンピューターの電子チップに比べて比較的大きくなります。通常、50 mm を超える長さのマイクロチャネルを設計する必要があり、これは単相冷却には好ましくありません。チャネルが長くなるとインレットとアウトレットの温度差が大きくなるため、温度ムラによる IGBT パッケージ モジュールの熱暴走のリスクが高まる可能性があります。これは、マイクロチャネル単相冷却技術を IGBT の熱管理に適用する上で無視できない問題です。一部の学者は、マイクロチャネル単相冷却の温度均一性を高めるために、高出力 IGBT 用の一体型ベーパー チャンバー マイクロチャネル液体冷却ラジエータを開発するなど、この問題に関する研究を行っています。マイクロ チャネル ヒートシンクをベーパー チャンバーと統合します。統合マイクロチャネルヒートシンクを単純なマイクロチャネルヒートシンクと比較することにより、統合マイクロチャネルヒートシンクの優れた総合性能が検証されます。これは、高出力 IGBT の熱管理のためのマイクロチャネル単相冷却ヒートシンクの適用に関する重要な洞察を提供します。

3. マイクロチャネルフローボイル（二相）冷却技術

流動沸騰（二相）冷却は、主に流動沸騰時の相転移吸熱により熱を奪う冷却方式です。フロー沸騰の熱伝達特性とマイクロチャネルのマ​​イクロスケール効果に依存して、マイクロチャネルでのフロー沸騰冷却には、コンパクトなラジエーター構造、強力な熱伝達容量、高い熱伝達係数、優れた温度均一性、および作動流体の充填量が少ないという利点があります。.マイクロチャネル フロー沸騰冷却の使用は、単相冷却の入口と出口の間の大きな温度差を緩和するための優れた潜在的な解決策の 1 つです。IGBTの熱マネジメント分野におけるマイクロチャネルフロー沸騰冷却の応用研究成果の一部を以下に示します。IGBT モジュールの大型および高熱流束密度の条件下でのマイクロチャネル流沸騰熱伝達を目的として、冷却媒体として R134a を使用して、マイクロチャネル流沸騰熱伝達に対する異なる加熱方向の影響を実験的に研究しました。研究結果は、マイクロチャネルには核沸騰と強制対流沸騰の 2 つの熱伝達メカニズムがあることを示しています。下加熱の伝熱性能は、上加熱よりも優れています。また、チャネル内の流体の質量流量と加熱面の熱流束密度は、マイクロチャネルの壁の温度と熱伝達係数に重要な影響を与えます。この研究では、実験データに基づいて修正された熱伝達相関もまとめられています。これは、天板が加熱されたときの熱伝達係数を平均 16.6% の誤差で正確に予測できます。一部の学者は、IGBT モジュールに適した自然循環電力と強制循環電力の下での冷却実験システムを確立しました。マイクロチャネルユニット-自然循環冷却システムの起動と熱伝達特性、マイクロチャネル内のR134aの流れ沸騰熱伝達の特性とルール、R134aフローパターンの変換と熱伝達メカニズムの変換マイクロチャネルが調査されました。マイクロチャネル構造は、実験データと理論的研究に基づいて最適化されました。現在、IGBTモジュールの放熱へのマイクロチャネルフロー沸騰冷却の適用に関する関連研究はほとんどありません。IGBT モジュールのより大きなサイズの構造、より長いチャネル長、実際の熱放散効果、および異なる熱流束下での質量流量の選択を伴う、マイクロチャネル フロー沸騰ヒートシンクの構造設計に関する研究が不足しています。密度。IGBT モジュールの放熱効果と温度均一性の改善に対するマイクロチャネル フロー沸騰冷却の実際の効果については、さらなる研究と検証が必要です。

IGBT 放熱関連分野へのマイクロチャネル フロー沸騰の適用に関する研究はほとんどありませんが、学者は、マイクロチャネル フロー沸騰伝熱の伝熱メカニズムと伝熱性能に影響を与える要因について広範な研究を実施し、一定の研究成果を達成しています。

マイクロチャネル流の沸騰熱伝達は、単相流の熱伝達よりも複雑であり、多くの影響要因があります。研究の方向性は広く、沸騰熱伝達の流れパターン、気泡動力学、沸騰熱伝達と熱伝達特性、熱伝達の信頼性と流れの安定性の研究の進化を含みます。沸騰熱伝達には、気泡と液体の間の相互作用があります。チャネル内にはさまざまな流れパターンがあり、さまざまな流れパターンがマイクロチャネルの表面の熱伝達効果に直接影響し、熱伝達メカニズムの研究に大きな課題をもたらします。通常スケールの水路における流動沸騰熱伝達は、2 つの基本的なメカニズムの影響を受けます。1つは、壁面での気泡の形成と気泡のダイナミクスに関連する核沸騰の支配的なメカニズムです。もう 1 つは、液膜を介した伝導と対流に関連する対流優位のメカニズムです。マイクロチャネルの熱伝達性能に関する既存の研究結果は、マイクロチャネル内の流れ沸騰熱伝達もこれら2つの熱伝達メカニズムの影響を有することを示しています。核沸騰の支配的なメカニズムは熱流束に強く依存し、対流の支配的なメカニズムは質量流量に強く依存します。2 つのメカニズムが組み合わさると、流動沸騰の熱伝達特性が非常に複雑になります。マイクロ スケールの影響に加えて、伝統的な流れ沸騰熱伝達相関のほとんどは、マイクロ スケール チャネルの流れ沸騰熱伝達を予測するのに十分ではありません。異なる作動流体、異なるチャネル構造、および異なる流れパターンの下での熱伝達メカニズムの統一された説明を得ることは困難であり、さらなる研究が必要です。マイクロチャネル流沸騰冷却の実験研究結果をまとめた。学者たちは、さまざまな作動流体、さまざまなチャネル数、およびさまざまな作動条件の下で、多数の実験的研究を実施してきました。この法律は、確固たる実験的根拠を提供します。

一般に、現在の研究のほとんどは、主な目的として熱伝達メカニズムを調査することです。多くの学者が、均一な加熱方法でのマイクロチャネル流沸騰の熱伝達特性とメカニズムを研究してきました。ただし、均一な加熱シーンと IGBT モジュールなどの不均一な加熱シーンの違いにより、対応するマイクロチャネル フロー沸騰ヒートシンクの熱伝達特性が異なり、設計で考慮すべき要素が異なる場合があります。さらに、マイクロチャネル フロー沸騰の熱伝達メカニズムの複雑さは、依然として説得力のある明確な結論を導き出すことを不可能にします。マイクロチャネル流の沸騰熱伝達の特性は、作動流体、チャネル構造、適用シナリオ、および実験条件が異なると異なります。同時に、IGBT モジュールの放熱設計では、内部チップ間の温度均一性に注意を払うだけでなく、異なるチップの温度分布と入口と出口の相対位置との関係も考慮する必要があります。マイクロチャネルの合理的な長さ、およびマイクロチャネル内の流体の部分的な乾燥。現象とその他の問題。これらの問題の解決は、IGBT モジュールの熱管理の分野でのマイクロチャネル流沸騰冷却のさらなる普及と適用の鍵となります。