来源 | Energy

链接 | https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.137392

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背景介绍

随着电子设备工作频率提升，雷达、氮化镓（GaN）功率器件等热流密度需求已达5-10kW/cm²)，传统微通道散热器（MHS）散热能力仅<2 kW/cm²，存在严重热失控风险。传统方案局限：基材硅、铜等传统基材导热率低（硅 148W/(m・K)、铜～400W/(m・K)），无法快速传导高热流；结构：毫米级微通道散热能力仅300W/cm²，且针翅单一导致流场扰动不足；性能：现有 MHS 热阻普遍>0.03 K. cm²/W，无法满足近结冷却的低阻需求。

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成果掠影

近日，东南大学许波团队提出了一种基于金刚石微通道散热器（MHS）的近结冷却技术，该技术采用创新的腰形针翅与圆柱形和翼型相结合，研究了边界条件和几何尺寸对传热的影响。结果表明，低质量流量时，微通道内会产生热积聚，加剧热点温度的升高，而针翅的结构参数对热点温度的影响有限，但对流动和传热性能有显著影响，为使传热过程中的不可逆损失最小化，传热强化效果最大化，推荐的参数为：翼片角度为45 °，短轴长度为7 μm，距原点中心的距离为50 μm，以及腰形针翅数为16。值得注意的是，与毫米级MHS相比，微米级MHS表现出33.3%的散热极限增加，这归因于尺寸效应。此外，复合针翅通过流动加速和二次流诱导增强传热。这种方法实现了前所未有的MHS散热极限7300 W/cm²，该系列产品的传热系数提高到661.6 kW/m²·K，压降降低到132.4 kPa，总热阻降低到0.0059 K cm²/W，具有国际领先的性能。为氮化镓（GaN）功率器件的超高热流热管理提供国际领先方案。研究成果“Micrometer-scale composite pin-fin diamond microchannel heat sink for near-10-kilowatt-level chip thermal management”为题发表在《Energy》

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图文导读

图1. MHS的结构示意图。

图2.仿真流程图。

图3.网格独立性的验证。

图4.模拟和实验验证。

图5.通道尺寸对热性能的影响。

图6.不同翅片结构对微通道温度分布的影响。

图7.不同钉肋结构对MHS速度分布的影响。

图8.针翅结构对微通道温度的影响。

图9.工况和鳍片结构对MHS水力性能的影响。

图10.用于数据简化的热阻网络的截面图。

图11.几何形状对热阻的影响。

图12.微通道散热器的COP随翅片结构参数的变化。

图13.热性能系数随微通道翅片几何形状的变化。

图14.微通道针翅几何形状对传热熵产生的影响。

图15.不同入口温度下的散热极限：（a）Tin = 283.15 K;（b）Tin = 293.15 K;（c）Tin = 293.15 K。

图16.不同入口温度下的热性能分析。