微细槽道散热器性能实验和数值研究

设计了针对电子芯片50W/cm2散热需求的微细槽道散热器.研究中,采用水为换热介质,对其冷却换热性能进行了实验和数值研究.通过对散热器表面温度、冷却介质水的进出口温差、流量和压降等参数的测量和数值计算,系统分析了换热量、热流密度等散热器性能参数.实验和模拟结果表明:在雷诺数小于50、模拟热源表面温度低于85 ℃的情况下,该微细槽道散热器可以达到56 W/cm2的热流密度,且压降不超过400 Pa;小雷诺数条件下,微细槽道散热器的摩擦系数随着雷诺数的增大而减小,散热量随着模拟热源表面的温度的升高或流量的增加而增加.微细槽道散热器的换热性能随着雷诺数的增大而提高,并且随着加热功率的增大,提高的幅度也增大.     

方柱微结构芯片射流冲击流动沸腾换热实验研究

对喷射条件下的电子芯片在FC-72中的流动沸腾换热进行了研究,并和同工况下的光滑芯片作了对比.实验选取的工况如下:过冷度为25、35℃;横流速度Vc为0.5、1、1.5m/s;喷射速度Vj为0、1、2m/s.实验采用的硅片尺寸为10mm×10mm×0.5mm,通过干腐蚀技术在其表面加工出30μm×120μm、50μm×120μm的方柱微结构.实验表明,所有芯片的换热性能都随过冷度和流速的增加而提高,方柱微结构能明显地强化芯片换热,而射流冲击进一步提高了芯片在高热流密度下的换热性能.同一横流速度下,喷射速度越大,换热性能越好,尤其是Vc=0.5m/s、Vj=2m/s时,强化效果最显著.随着横流速度的增加,射流冲击的强化效果减弱,临界热流密度值增幅减小.     

氨喷雾相变冷却换热面温度分布特性

以液氨为冷却工质,针对大功率激光器350 W/cm2以上散热需求进行喷雾冷却换热实验,研究了不同流量下冷却表面散热特性以及温度分布规律。实验结果表明：在加热功率和喷淋高度不变时,进口流量较大,冷却表面处于无沸腾换热,主要以强迫对流换热为主,换热表面温度低且分布均匀;流量为0.461 L/min时,热流密度可达388 W/cm2,热沉表面温度仅有2.6 ℃,温度偏差为±1.1 ℃;随着进口流量减小,热流密度增加,换热形式由强迫对流换热逐渐过渡到沸腾换热,从而导致热沉表面温度分布均匀性降低。     

大倾角下新型热管冷板传热性能的试验研究

针对在受限空间内工作的行波管阵列所面临的多热源、高热流密度、高散热功率冷却问题,研制了一种新型热管冷板.在自行设计建立的试验台上,对新型热管冷板在大倾角下(60°≤θ≤90°)工作时的传热性能进行了系统的试验研究.试验结果表明,在不同加热总功率P(1600—4000W)和不同冷却水流量Q(100—400L/h)下,热管冷板均能在3—15m in内正常起动.除了P=1600W、Q>300L/h情况下的冷板均温性不能符合行波管冷却要求外,其余试验工况下冷板壁面的最大温差ΔTmax<10℃,冷板壁面的最高温度ΔTmax<70℃,热管冷板的总热阻<0.01℃/W,表明新型热管冷板具有优异的均温高效传热性能.为了有效地发挥新型热管冷板的均温高效散热性能,必须保证其在匹配的冷凝段冷却条件和蒸发段加热条件下工作.在试验的倾角范围内,随着倾角的增大,热阻单调递增;冷却水流量增大或加热功率增加时,热管冷板的换热增强,热阻减小.     

新型锥体热沉射流散热器散热性能的实验研究

文章针对高热流通量的大功率器件,提出了一款新型锥体热沉射流散热器,通过在底板上增设锥体热沉,增大换热边界层面积,实现高效换热;构建了一套实验系统,通过改变冷却水流量、热源输入功率等工况,对其开展了散热特性实验研究。实验结果表明,该新型锥体热沉散热器可以对大功率热源实现快速冷却,当总散热功率达到900W(热流密度9.9W/cm2)时,采用7L/min的冷却水流量,可以将热源温度降至65℃以下,并且冷却水流量为影响散热器散热性能的主要因素,流量越大,散热效果越好。     

钢板超快速冷却条件下换热实验研究

采用汽雾射流冷却方式,在射流角为0°~60°时,研究了10 mm厚不锈钢板轧后超快速冷却过程中表面射流流动结构、换热区分布和钢板温降规律,分析了倾斜射流对钢板表面热流密度和冷速的影响.结果表明:射流角通过改变钢板表面滞止区和横向流区面积、水流密度、介质流动形态和流动速度,影响钢板表面换热形式和热流密度分布,进而影响超快速冷却冷速;射流角为30°时钢板平均冷速和临界热流密度均达到最大值,分别为146.5℃/s和2.75 MW/m~2.     

截面形状对微通道流动沸腾影响的数值研究

针对换流阀元件在工作时需要高效冷却的要求,采用全氟己烷类液体为工质的微通道相变冷却代替传统水冷系统,并对其在圆形、方形、三角形和梯形4种截面形状微通道内的流动沸腾特性进行了数值模拟,质量流量范围为0.000 1～0.002 kg/s,热流密度范围为50～500 kW/m~2。数值分析结果表明:通道内的锐角边会限制气泡的生长,加速气泡的融合、破碎;局部换热系数沿流动方向逐渐增大,相同当量直径下三角形通道局部换热系数最大,圆形次之,梯形最小;随着热流密度与质量流量增大,4种通道的平均换热系数均增大,当质量流量增大19倍时,换热系数增大0.11～0.32倍,压降增大5.62～8.98倍;当热流密度增大9倍时,换热系数增大0.16～0.20倍,压降增大1.08～1.53倍;三角形通道的性能因子最大,综合换热性能最佳。该研究可为换流阀微通道相变冷却系统的设计提供理论依据。     

R410A在5 mm管内的沸腾换热及压降特性

为了研究制冷剂R410A在5 mm内螺纹铜管内的沸腾换热及压降特性,以磁驱泵提供循环动力、均匀缠绕在测试段上的电加热丝提供热量以及冷水机组提供循环冷量的方式搭建了测试实验台,并对R410A在5 mm内螺纹管内的流动沸腾换热系数及压降进行了测试.分析讨论了不同蒸发温度下,制冷剂质量流量密度和管壁热流密度对管内制冷剂流动沸腾换热系数以及压降特性的影响.研究结果表明:5mm内螺纹管内R410A的流动沸腾换热系数分别在质量流量密度位于191.28和344.3kg/(m2·s)处达到峰值;其流动沸腾换热系数随着管壁热流密度增大最初呈现增大的趋势,在热流密度30 kW/m2后逐渐平稳;而R410A在5 mm内螺纹管内的压降均随质量流量密度和管壁热流密度的增大而增大,其中压降和管壁热流密度的关系呈较为明显的线性变化.     

多孔介质填充的小槽道散热器性能研究

为提高散热效率,设计了小槽道内填充泡沫铜的多孔介质散热器.通过对散热表面温度,冷却工质流量,进出口温差、压降的测量,分析热流密度-Nu数,热阻-压降等关系,评价散热器性能.结果表明,流量为2.77 g/s时散热器平均体积散热率高达250 W/mm3.通过与Zhang给出的热阻-压降关系比较,发现本文提出的散热器大流量时不仅降低功耗,还能减小热阻.此外,数值模拟发现多孔介质使流场温度更均匀.     

采用R134a工质的相变喷雾冷却性能实验研究

为了研究大热流密度相变喷雾的冷却特性,搭建了以R134a为冷却工质的闭式循环喷雾实验台,开展了采用R134a工质的相变喷雾冷却性能实验。实验工况为:喷雾高度13mm,喷雾腔压力0.2MPa,喷嘴入口温度0℃,喷雾流量范围为0.210 7~0.355 8L/min。实验结果表明:当喷雾流量保持不变时,增大加热功率,热流密度增大,表面换热系数先快速升高最后有所下降;随着喷雾流量从0.210 7L/min增加到0.355 8L/min,临界热流密度呈现上升趋势;当流量为0.355 8L/min时,获得最高的临界热流密度(CHF)为94.75 W/cm2,此时冷却表面的壁面温度为35.42℃。这说明使用环保工质R134a作为冷却剂的喷雾冷却系统能同时满足高热流密度和低换热表面温度的要求,具有良好、稳定的换热冷却能力。     

冲击孔偏置对静叶前缘和吸力面冷却性能的影响

采用流热固耦合方法数值研究了真实叶片材料热物性条件下叶片前缘冲击腔室内冷却射流的流动及换热特性。分析了冲击孔的偏置距离(2.5 mm、5.0 mm、7.5 mm和10.0 mm)及冲击冷气与主流的质量流量比(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%)对前缘面复合冷却性能、冲击靶面对流换热性能及吸力面气膜冷却性能的影响。研究表明：冲击孔偏置结构会对叶片前缘区域的冷却产生显著的影响,偏置距离较小时会削弱前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,而偏置距离较大时能同时强化前缘面复合冷却性能及靶面对流换热性能,尤其是对靶面对流换热性能的提高效果非常显著。4个冲击孔偏置结构中,偏置距离最大的结构相较于无偏置结构的靶面平均努塞尔数最多提高了约33.97%;吸力面的气膜冷却性能大体上与冲击孔到吸力面气膜孔的周向距离呈现出负相关性,冲击孔距吸力面气膜孔越远,吸力面的气膜冷却性能越弱;相较于无偏置结构,冲击孔偏近及偏离气膜孔布置时吸力面平均气膜有效度最多分别提高了约5.56%和降低了约10.96%;当冲击冷气的质量流量比较小时,增大冷气的质量流量比能有效提高叶片前缘冷却性能。前缘面平均综合冷却效率、...     

一种利用气泡泵效应重力辅助回路热管的实验研究

随着芯片集成度的提高及微型化,为了满足高热流密度电子器件的散热需求,提出了一种利用气泡泵效应重力辅助回路热管,并对其传热性能进行了详细的实验研究.实验中加热功率为21～646W,对应热流密度范围为1.67～51.4W/cm2,采用去离子水为工质.研究结果表明:利用气泡泵效应虽然会增大传输过程的传输热阻,但却能有效增强蒸发腔内扰流,进而增强换热,提高临界换热热流密度;加热功率为646 W时,最小热阻为0.11℃/W;对于本装置,存在一个最佳充液高度,通过观察实验流型图可知,当上升管内为环状流时,充液高度比较合理;蒸发段热阻始终占据总热阻主要部分.研究工作为其在芯片冷却领域的应用打下了良好基础.     

天线阵面沸腾换热的数值分析及优化

为研究雷达天线阵面的冷却降温效果,建立了两相流蒸发冷却模型,并着重分析了沸腾换热在局部高热流密度条件下的换热能力,局部热流高达800kW/m2。采用VOF模型结合用户自定义控制方程,数值计算三维流道内的沸腾传热现象,从气液流动趋势上寻找阻碍换热的因素。结果表明:VOF模型能较好地用于分析气液两相流动中的层状流、泡状流以及气液流动趋势;通过减小弯道处过流面积提高局部流速的方法可以缓解气相在弯道处的汇聚,消除了0.9K的局部过热;对于单侧高热流蒸发的数值分析,蒸发控制方程的调节系数在500左右为宜。温度计算结果与实验结果趋势一致,总体偏差5K左右,数值分析可以用于研究冷板的沸腾换热。     

高热流密度下高度对微小间隙通道内流动沸腾特性的影响

实验研究了常压去离子水在不同高度的微小间隙通道内的流动沸腾特性．实验热流密度为0～206 W/cm²，质流密度为200～400 kg/(m²·s)，间隙为1 mm和2 mm．结果显示，随着实验条件的变化，通道内出现了泡状流、清扫流、搅拌流，且在清扫流早期观察到不稳定流动现象．此外，间隙高度降低促进了流型的过渡，加快了不稳定流动的进程．1 mm通道内核态沸腾起始点的热流密度低于2 mm通道，表明间隙高度的降低更有利于气泡在低热流密度下成核；1 mm通道的过冷沸腾传热系数最高为2 mm通道的1.7倍，2 mm通道内饱和沸腾传热系数略高于1 mm通道．表明低热流密度下过冷沸腾时小通道具有更好的传热性能，高热流密度下饱和沸腾时大通道的传热稍具优势，同时表明间隙高度造成的传热差异随热流密度增大先增大后变小；1 mm通道内临界热流密度为2 mm通道的83%，表明间隙高度的降低会使得临界热流密度降低．     

基于碳纳米球掩膜工艺的大功率T/R组件散热用金属流道冷板

由于金属流道液冷板仍存在加工工艺复杂、换热性能差等问题,提出了一种基于碳纳米球掩膜工艺的金属流道冷板的加工方法,并据此实现了某型号大功率T/R组件用金属流道冷板的成型.通过数值模拟及实验的方法研究了该金属流道冷板的流动特性和换热性能.当T/R组件热耗为500 W,流量为3.5 L/min时,功放器件最高壳温的仿真、实测结果分别为38.7℃和43.7℃.结果表明:所成型的金属流道冷板加工工艺简单、易实现,流动、换热性能好,适应各类大功率电子元器件/组件的散热需求.      

分-合式微通道流动传热性能数值模拟

针对矩形微通道进出口压降大、温度分布不均匀，以及分形微通道受到分形维数和分支数限制适用范围较窄的问题，结合矩形微通道和分形微通道的优势设计一种分-合式微通道散热器。使用Fluent软件对散热过程进行数值模拟，研究微通道内分支倾斜角度变化对流动和传热性能的影响。结果表明，在100 W/cm²的热流密度下，Re为970、分支倾斜角度为90°时，分-合式微通道平均温度降低了11.9 K,最高温度降低了14.2 K,Nu增加了85.7%,整体传热性能(PEC)也最佳，达到1.44。分支的引入可以增加微通道内部换热面积，同时形成新的边界层，在分支内侧产生漩涡，有效提高了微通道散热器的传热性能，为微通道的优化设计提供了新的理论依据。     

大功率半导体发光二极管液冷板散热性能分析

液冷板体积小，散热效果明显，被广泛应用于密集电子器件的散热。为研究液冷板内部的流动与传热过程，实现高效散热，利用计算流体力学（CFD）方法对液冷板进行热固耦合三维数值模拟，对比分析了水、乙二醇、酒精及甘油4种常见的不同类型冷却液在冷板内的流动规律与换热特性，研究了冷却液入口流速对综合散热性能的影响，并通过理论计算的方法加以验证。结果表明：设计的液冷板具有较好的流动和换热性能，4种冷却介质的综合散热效果均随入口流速增加而得到不同程度改善，最佳入口工况流速为2.5 m/s。以发光二极管芯片结温为散热性能指标，发现水的散热效果最佳，基板表面温度分布较为均匀。     

特厚钢板阵列射流淬火的表面换热

采用特厚钢板专用辊式射流淬火试验装置和多通道钢板温度记录仪,测试出射流速度3.39~26.8 m·s-1、雷诺数12808~117340、水流密度978.7~6751.5 L·(m2·min)-1条件下,84 mm厚钢板淬火冷却曲线;进而基于反传热修正方法计算高温钢板淬火过程壁面温度和热流密度,描绘出沸腾曲线,分析多束圆孔阵列射流对特厚钢板淬火表面换热的影响.结果表明:射流速度、水流密度等参数影响钢板表面射流滞止区和平行流区换热机制,进而影响最大热流密度分布.射流速度较低时,壁面平行流区观察到混合换热和"热流密度肩"现象;随射流速度增大,膜沸腾换热机制消失,最大热流密度移至较低壁面过热度处.相关研究将对特厚钢板淬火过程温度场计算和组织性能调控提供有益的帮助.     

L12378圆形射流冲击和浸没冷却传热

以最新微电子设备冷却剂L12378为工质,首次试验研究了用圆形自由射流冲击模式电子芯片的局部对流换热的情况,测定了驻点换热系数的径向分布,发现驻点换热随射流Re数和热流密度的增加及喷嘴直么和喷距的减小而增强,自然对流数据表明小尺寸换热率比预算值高出3倍,严格按照沸腾传热试验程序得到了过冷度为24K时的池沸腾传热曲线。     

高热流密度电子设备液冷技术研究进展

电子设备的热流密度随着设备本身的小型化与高性能需求的不断提高而呈现出越来越大的趋势。较低的散热能力使得风冷技术很难应用到未来电子设备高热流密度的散热。目前电子设备散热技术的研究热点是液冷技术,主要得益于液冷具有流动性强、换热系数高等优势。本文概括介绍了可用于电子设备散热的几种液冷技术,其中重点介绍了微通道冷却、喷雾冷却、射流冷却和浸没式冷却技术,并对每种液冷技术的工作原理以及目前的研究进展进行了介绍和分析。最后探讨了未来液冷技术的发展方向,指出了液冷技术有待深化研究方向上存在的问题,提出了进一步深入研究液冷技术的详细建议。