双层蛇形微通道冷板的流动与传热性能研究：结构优化的新突破
随着电子元件功耗的不断攀升，传统的风冷技术已难以满足日益增长的散热需求。液冷技术因其高效的散热能力，逐渐成为电子设备冷却的主流解决方案。在众多液冷技术中，微通道冷板技术因其高效的散热性能而备受关注。近日，华南理工大学的研究团队在《Applied Thermal Engineering》上发表了一篇关于双层蛇形微通道冷板流动与传热性能的研究论文，揭示了通道结构对冷板性能的显著影响。
电子元件的热流密度已轻松达到100 W/cm²，局部过热可能导致设备损坏。传统的风冷技术难以应对如此高的热流密度，而液冷技术则因其高效的散热能力成为主流选择。微通道冷板技术自1981年由Tuckerman和Pease首次提出以来，逐渐成为解决高功率电子设备散热问题的关键手段。然而，传统的微通道结构多为多个平行的矩形微通道，流体流动路径多为直线，导致流体混合效果差，冷板底部温度分布不均匀。为了提升微通道冷板的传热性能，研究人员提出了多种改进方案，如蛇形微通道、锯齿形微通道、多流道微通道等。其中，蛇形微通道因其在弯曲处产生的离心力能够增强流体混合和传热性能，成为研究的热点。
本研究设计了一种带有肋结构的双层蛇形微通道冷板，并通过正交数值试验，分析了肋高度、肋截断数量、肋截断间隙和肋端偏差距离对冷板热工水力性能的影响。
研究结果表明：并行流道 vs. 串联流道：并行流道具有更均匀的流动分布，冷板热阻比串联流道低约2.5%。串联流道的压力降是并行流道的3.5-3.8倍，而热源最高温度仅比并行流道低2.11%。因此，并行流道冷板在整体性能上表现更优。
肋结构的影响：随着肋高度的增加，对流换热系数先升高后降低。肋高度的增加还改善了冷却剂流动分布，降低了冷板的热阻，但当肋高度达到3 mm时，流动均匀性下降。肋截断数量的增加提高了对流换热系数，并使流动分布更加均匀，但对压力降的影响较小。肋截断间隙的增加优化了冷板内部的流动分布，而肋端偏差距离的增加则导致流动均匀性先恶化后改善。
结构优化：在最高PEC（性能评价准则）和最低总热阻的情况下，肋高度、肋截断数量、肋截断间隙和肋端偏差距离分别为1.2 mm、4、10 mm、0 mm和2.1 mm、4、1 mm、4 mm。与初始结构相比，最高PEC结构的总热阻和压力降分别降低了5.5%和7.4%，而最低总热阻结构的总热阻降低了7.9%，但压力降增加了27%。
本研究通过简化几何模型，研究了流道对双层蛇形微通道冷板流动与传热性能的影响，并通过正交试验优化了肋结构参数。研究结果表明，并行流道冷板在流动均匀性和热阻方面表现更优，而肋高度的增加显著提升了冷板的传热性能。在满足散热性能要求的情况下，优先选择最高PEC的肋结构参数，可以有效降低泵功率消耗。这项研究为电子设备的高效散热提供了新的思路，未来有望在数据中心、高性能计算等领域得到广泛应用。
Wang, H., Gan, Y., Luo, Q., Li, Y., & Feng, J. (2025). A study on the effect of channel structures on flow and heat transfer performance of cold plate with double-layer serpentine microchannel. Applied Thermal Engineering, 259, 124944.
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