建立了雙層樹型微通道換熱器三維模型，模擬分析了其熱流耦合場。對比單、雙層樹型微通道換熱器的最高溫度及雙層樹型微通道在順流、逆流、交叉流三種情況下的冷卻效果及底面溫度分布所占比例。底部熱流密度qw=50 W·cm-2時，單層樹型微通道底面最高溫度為102.5 ℃，雙層樹型微通道底面最高溫度低于63.38 ℃，底面溫度低于60 ℃部分所占比例均高于60%。雙層樹型微通道冷卻效果明顯優于單層，在逆流方式下，雙層樹型微通道底面溫度分布均勻，中心部分具有較低溫度，有效改善了一般換熱器散熱不均而造成的中心部分溫度過高的問題。

　　引言

　　隨著芯片的集成和性能不斷提高，電子設備趨向大功率、微型化發展。現有芯片級的熱流密度已高達106 W/m2，當芯片溫度過高時，其穩定性和效率都會下降。風冷和傳統液體冷卻技術已無法滿足日益增長的散熱需求，散熱問題已經成為制約電子工業發展的主要因素之一。

　　單層微通道換熱器由Tukerman 等于1981 年提出，近年來已廣泛應用于大規模集成電路和微機電系統的冷卻。眾多學者對微通道內流體流動和換熱特性做了一系列的數值計算，單層微通道換熱器具有結構簡單、單位體積散熱效率高等特點，但也存在壓降大、消耗泵功率過高、沿通道溫度分布均勻性差等缺點。

　　Vafia等首次提出具有逆流結構的雙層微通道換熱器，研究表明，其能顯著減小沿通道的溫差，相比單層微通道具有更好的換熱性能，更適合作為高熱流密度電子芯片的冷卻裝置。Chong等構建了雙層微通道的數值模型，采用熱阻網絡評價微通道的換熱性能。Xie等對比了單、雙層微通道的換熱特性，結果表明雙層微通道具有較高的冷卻速度，而且具有較低的壓降。Hung等采用三維數值模擬對換熱器材料、冷卻劑種類、通道截面積和幾何形狀進行了研究。徐尚龍等[15]研究了平行結構、網格結構、螺旋結構和樹型結構的單層微通道拓撲結構對電子芯片散熱效果的影響，結果表明樹型微通道有最好的換熱效果。

　　文章對比樹型單、雙層微通道換熱器的換熱特性，并設計了三種雙層樹型微通道換熱器，根據冷卻流體流動方向不同分為順流、逆流、交叉流型。通過研究其熱流耦合場，對比微通道內冷卻流體不同流動方式對冷卻效果的影響，為芯片冷卻用微通道的設計制作提供一定的理論指導。

　　1、計算模型

　　雙層樹型微通道換熱器結構示意圖如圖1 所示，其包含依次疊加的下層通道、上層通道及蓋板。樹型通道由主干道和各級分支組成，主干道沿換熱器對角方向，各級分支與主干道呈45°夾角，通道截面均為矩形且深度相同。雙層樹型微通道內冷卻流體的三種流動方式如圖2所示，順流和逆流時主干道平行，交叉流時上下層主干道呈90°。

圖1 雙層樹型微通道換熱器結構示意圖

圖2 雙層樹型微通道內冷卻流體的三種流動方式示意圖

　　4、結論

　　文章建立了三維樹型微通道換熱器模型，對比單、雙層微通道的換熱冷卻效果，并分析了雙層微通道冷卻流體在三種不同流動方式：順流、逆流、交叉流條件下的熱流耦合場。結論為：

　　(1)單層樹型微通道表面溫度較高，采用雙層結構，上層通道對下層通道具有冷卻作用，故雙層結構可強化冷卻效果;

　　(2)雙層樹型微通道的最高溫度比單層樹型微通道低40 ℃左右，但微通道數量增多會消耗更多泵功率。雙層逆流方式下，最高溫度為60.82 ℃，已基本達到電子器件的耐受溫度范圍，在經濟適用的前提下，無需采用更多層數，所以應盡可能選用雙層微通道換熱器;

　　(3)雙層樹型微通道內的冷卻流體在順流、逆流及交叉流方式中，逆流時具有最低溫度，底面64.56%的區域溫度低于60 ℃，溫度分布較均勻且中心部分溫度最低，有效改善了一般換熱器散熱不均而造成的中心部分溫度過高的問題。