多物理场软件的应用使散热器性能更优越

众所周知，为了能更省油，汽车制造商们不得不减少发动机零部件的数量，缩小它们的尺寸并减轻重量。以丰田混合动力汽车为例，在这个案例中，我们需要设计出一种更小，更有效的散热器来对电子元件进行温度控制。我们优先选用了多重物理场软件进行设计并对合理的原型进行测试，而摒弃了典型分析设计法（typical analytical design methods）和物理样机试错法（trial-and-error physical prototyping）。

如何散掉引擎盖下的热量

丰田混合动力汽车拥有复杂的电气系统，系统中的功率二极管和功率半导体器件多数是用来控制电力转换和其他应用程序的。例如，绝缘栅双极晶体管。这些部件都是呈扁平状的标准器件，材料为矽，各边长均只有几厘米。它们被安装在铝制的散热器或冷却板上，散热器或冷却板内设有管道，作为冷却剂（水和乙二醇的混合物）流动的通道。

早期型号的冷却板两边各有一个孔，一边作为液体的入口，另一边作为出口。出入口之间有一些长的管道，形状一般都是直的。这种设计可以实现充分的热交换，但是液体流过冷却板后会产生明显的压降（pressure drop，液体流过冷却板后产生的压力差）。这就需要我们设计一种体积更小，散热更快的冷却板，但是，这种设计仍存在缺陷，那就是温度控制变得更加困难。

如果将原有的冷却板简单改造一下，让更多的冷却剂流过冷却板内的管道，这样是否可行呢。答案是否定的，因为这样需要更大的抽送功率（pumping power，易为泵浦功率）。而发动机室的空间是有限的，无论是使用体积更大、功率更强的泵亦或是使用附加泵都是行不通的。因此，我们的改造重点是，既要实现最佳的热交换，又要避免附带产生的压降。

单靠喷射冲击散热可不够

有趣的是，许多研究者已经认定使用喷射冲击法是进行表层降温的最佳方法。然而，使用喷射冲击进行散热时，只有在靠近喷嘴时效果最明显，一旦远离喷嘴其散热效果就变得差强人意了。 原因是喷嘴处的冷却液温度最低且流速很快，因而大部分的热交换都在此处进行。当冷却液完全流出后，热交换的能力会变得极低。而解决该问题的一种方法是将喷射冲击和外部通道结合起来使用，这样可以提高单位面积上的散热能力。

Comsol公司的多物理场计算流体力学（CFD）技术和热转换模块是数值仿真技术的精华，也是我们此次研究工作使用的核心技术之一。此外，使用可以对矩阵实验室（Matlab）进行实时连接的Comsol’sLiveLink技术，使我们可以用高级脚本语言对多物理场仿真进行编码，进而实现冷却板拓扑结构的自动优化。

我们对所得的拓扑结构对变量产生的影响进行了检测，如，检测稳定的对流扩散中的热传递和通道中的液体流。此外，我们还使用了完善的材料插值技术和一个专门的优化器（用于Comsol与矩阵实验室Matlab之间的迭代）。然而，重要的是通道的宽高比（即宽度和高度的比例）的确定。为了简化数值仿真，我们把通道假定成3D结构的薄管道，然后再把它压扁。一旦我们设计出了通道拓扑结构的原型，我们就着手研究用于隔离冷却管道的散热片的高度，并设定一个独立的参数用于尺寸校准。之前我们研究过类似的尺寸校准参数，因而在假定通道形状时我们拥有充足的参考资料。

我们的数值仿真研究得出了一个最佳的冷却通道拓扑结构，它使用了分支通道来供液体流通。由于这种通道可以对流经冷却板的冷却液进行有效的分流，因而我们将使用这种分型拓扑来指导冷却板原型的设计。我们将冷却板的大小设定为60 × 45毫米，中间冷却区域的大小设定为25 × 15毫米，用于对特定的热源进行冷却。此外，将位于冷却板基底的基板厚度假定为1毫米。

在使用了Comsol实时连接技术和矩阵实验室（Matlab）对通道拓扑结构进行优化后，我们将最终得出的通道设计理念应用到实际的通道设计中，并对通道原型进行评估。为此我们使用了Comsol’sLiveLink技术对Solidworks软件（一种基于windows系统的三维的计算机辅助设计软件）进行数据的实时连接。实时链接技术可以将客户端主动链接到计算机辅助设计软件（CAD）上，而且它还能轻松的将各种设计的数据从SolidWorks软件导入到Comsol中，这样便于对各种设计进行压降和热传递的检验。这一性能的应用，使用户能够迅速的建立起合适的原型，并能以此原型为基础进行快速的优化。

最后，我们使用SolidWorks软件得出原型的设计，并使用标准的显微机械加工技术制作出了两个原型实体。第一种原型使用了双喷射/分级微通道设计，第二种是只简单使用了喷射冲击的平板。我们对这两种原型进行测试，想看看封装在极端紧凑的空间里，双配置原型是否真的能提供更高的冷却性能。测试结果是，第一种比第二种平均的散热效果要高12.8%。此外，两种原型产生的压降都差不多，不过在高流速下，第一种双配置原型要比第二种原型表现出的性能要稍好一些。