Analysis of microchannels for integrated cooling

Abstract

Recent advances in the precision machining of small channels have made possible the use of such micro-channels in ultra compact, very efficient heat exchangers, which capitalize on the channels' large surface area to volume ratio to transport high heat fluxes with small thermal resistances. For instance, such micro-channels can be fabricated right into the back of electronic chips to effectuate the cooling of these chips. In this paper, we analyze such heat exchangers by solving numerically a conjugate heat transfer problem consisting of the simultaneous determination of the temperature fields in both the solid substrate and the fluid. Additionally, we present a design algorithm for the selection of the heat exchanger's dimensions. Des progrès récents dans l'usinage précis de petits canaux ont rendus possibles l'utilisation de tels microcanaux dans des échangeurs thermiques extrêmement compacts, très efficaces qui permettent des flux thermiques très élevés avec des petites résistances thermiques. Par exemple, de tels microcanaux peuvent être réalisés directement sur l'arrière des chips électroniques pour permettre le refroidissement de ces chips. On analyse de tels échangeurs en résolvant numériquement un problème thermique conjugué qui consiste en la détermination simultanée des champs de température, à la fois dans le substrat solide et dans le fluide. En outre, on présente un algorithme de conception pour le choix des dimensions de l'échangeur thermique. Neue Fortschritte in der Herstellungsgenauigkeit von kleinen Kanälen machen die Verwendung solcher Mikrokanäle in ultrakompakten und hocheffizienten Wärmeübertragern möglich, die das groβe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ausnutzen um groβe Wärmestromdichten mit kleinen thermischen Widerständen zu transportieren. Solche Mikrokanäle können z. B. direkt in die Rückseite von elektronischen Chips eingearbeitet werden um die Kühlung dieser Chips zu verbessern. In der vorliegenden Arbeit werden derartige Wärmeaustauscher durch numerische Behandlung des konjugierten Wärmeübergangsproblems untersucht, das in der simultanen Bestimmung der Temperaturfelder im festen Substrat und in Fluid besteht. Zusätzlich stellen wir einen Algorithmus zur Dimensionierung derartiger Wärmeaustauscher vor. Пocлeдниe дocтижeния в oблacти тoчнoй oбpaбoтки мaлыч кaнaлoв пoэвoлилн пpимeнять тaкиe микpoкaнaлы в cвepчкoмпaктныч выcoкoэффeктивныч тeплooбмeнникaч, кoгдa oтнoщeииe плoщaди пoвepчнocти кaнaлoв к oбьeмy вeликo, тaк чтo пepeиoc бoльщич тeплoвыч пoтoкoв ocyщecтвляeтcя c мaлыми тeплoвыми coпpoтивлeниями. B чacтиocти, тaкиe микpoкaнaлы мoгyг мoнтиpoвaтьcя нeпocpeдcтвeннo нa oбpaтнoй cтopoнe элeктpoниыч чипoв c цeлью ич oчлaждeния. B нacтoящeм иccлeдoвaнни paccмaтpивaeмыe тeплooбмeниики aнaлиэиpyютcя нa ocнoвe чиcлeннoгo peщeния coпpяжeннoй эaдaчн тeнлoпepeнoca, пoэвoляющeгo oпpeдeлить тeмпepaтypиыe пoля в твepдoй пoдлoжкe н жидкocти. Кpoмe тoгo, пpивoдитcя pacчeтный aлгopнтм для выбopa paэмepoв тeплooбмeнникoв.