高功率半导体整流管芯片散热效率计算仿真

为了保证芯片性能,避免芯片受损,对高功率半导体整流管芯片散热效率进行计算和仿真研究。通过有限体积法进行热计算,利用质量守恒方程、能量守恒方程以及动量守恒方程对热传递问题进行描述,确定高功率半导体整流芯片边界条件,给出散热效率计算公式。在恒温室的防风罩中进行测试,依据模型和边界条件,通过ANSYS参数化编程语言APDL构建高功率半导体整流芯片三维有限元模型,分析芯片散热情况。研究平行排列微通道、正交网络结构、螺旋环绕结构和树枝分形结构微通道下芯片散热效率。向有限元模型整流管芯片主体施加热载荷,获取不同基板材料的温度分布情况,得到不同基板材料下芯片散热效率。结果表明,高功率半导体整流管芯片微通道应选用树型结构,基板材料应选择Cu/Si C复合基板。     

用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制

理论分析了微通道热沉的热阻的组成,采用微机械加工技术和铜直接粘接技术(DBC)制作了冷却大功率半导体激光器列阵的5层结构的无氧铜微通道热沉;通过测试,用其封装的808 nm线阵二极管激光器准连续输出功率达38.5 W,无氧铜微通道热沉热阻为0.645℃/W,热沉的表面温度均匀性好,能有效散热,满足散热要求.     

半导体冷藏箱热端最佳散热方式的实验研究

从提高半导体冷藏箱制冷效率入手,通过对小型半导体蓄冷箱热端散热情况分析,建立了热端散热实验系统.分别对风冷散热、热管散热、热管与风冷组合散热三种散热方式进行了综合实验研究.分析其散热方式的特点及优势,研究在不同散热方式下冷藏箱制冷性能,找出使冷藏箱整体运行效率达到最优的散热方案,对今后半导体冷藏箱热端散热的进一步优化起到了重要的推动作用.     

二维层状六方氮化硼在芯片散热中的应用

层状六方氮化硼(h-BN)作为典型的二维材料之一,近年来由于其优良的物理化学特性受到广泛关注,本文利用其横向热导率高、绝缘性能好的特点,将其用于功率芯片表面,作为帮助芯片上局部高热流热点横向散热的绝缘保护层.分别将化学气相沉积法制备的单层h-BN薄膜和微米级h-BN颗粒转移到热测试芯片表面,通过加载不同功率,观察h-BN对芯片散热性能的影响.采用电阻-温度曲线法和红外热像仪两种方法对热测试芯片的热点温度进行检测.研究结果表明,h-BN应用到热测试芯片表面,在加载功率约为1W时,可以将芯片热点温度降低3~5℃,从而提高芯片散热效率,并且通过对比发现单层h-BN薄膜表现出更为理想的散热效果.     

双层Y形分叉仿生微通道换热性能及优化设计

针对电子器件的小型化和集成化的趋势以及较高的散热要求,基于仿生思想,设计了双层Y形分叉仿生微通道并研究其传热性能。对于分叉角和分级数进行了优化,得到最佳分叉角为60°,分级数为2。设计双层逆流微通道热沉对电子芯片进行冷却;并构建三维层流流场的计算模型,采用有限体积方法进行数值模拟。结果表明:在相同换热面积下,入口速度为1 m/s时,Y形通道较之平直通道压降减少了37.67%,加热面平均温度降低了7.66℃,同时最大温差降低了6.51℃,温度更加均匀,能很好地提升电子器件的使用寿命和散热性能。相对于单层通道,双层逆流Y形微通道热沉具有更小的压降、更均匀的温度,最高温度下降了3.1℃。双层Y形仿生微通道的设计不仅提高了散热容量,而且有效降低了泵功消耗,可以为电子器件的散热设计提供参考。     

微小型发动机气缸温度场及热变形的三维有限元分析

为了计算微小型发动机的热负荷,提出了对其气缸体进行热分析的方法。通过理论计算确定热边界条件,建立三维有限元模型对温度场进行数值计算;利用热成像和红外技术测量气缸温度场,以试验数据和计算数值之差为依据反推得到准确的温度场,并在此基础上计算气缸热变形。以排气量为0.33cm3的微小型发动机为例计算其热负荷,分析结果表明:排气窗口使得气缸温度场和热变形发生非轴对称性突变;由于高转速的强冷却效果,11000r/min时温度和变形达到最大值;高速冷却气流和大的散热面积与容积之比提供了良好的冷却效果,同时也降低了热效率。     

硅油风扇离合器的散热特性

以一款硅油风扇离合器为研究对象,考虑不同剪切半径处硅油生热量不同,建立了计算硅油风扇离合器散热特性的有限元分析模型与解析计算模型,测量了不同转速下硅油离合器壳体表面监测点的温度,并与计算结果进行了对比,结果表明,文中建立的硅油离合器散热计算有限元模型是正确的。然后对硅油离合器进行结构改进,并对改进后的硅油离合器进行有限元分析,结果表明,改进后的结构具有更好的散热特性。     

大功率LED阵列散热结构热分析

在自然对流冷却状态下,不同的散热结构对大功率LED阵列散热性能有显著影响。采用有限元分析法,对不同散热模型进行了分析并得到工作稳定时的热分析图;对比直片形、弧形、弧钉形散热结构的散热效果,逐步得出弧钉形散热结构散热效果最好,使得空腔以及芯片处温度均在合适的范围内,灯具的使用寿命达到近40000h。另外,模拟得出在普通散热设计中,灯具适合的功率约为13．75w。通过有限元法仿真模拟得出较为合理的结果,有效地减少了实验损耗。     

不同热边界条件下微通道内气体的流动与传热特性

构建了微尺度条件下含黏性热耗散和压力功的总能形式的双分布函数格子Boltzmann(LB)模型,计算并分析了恒壁温与恒热流边界条件下,稀薄效应对速度驱动的平直微通道内气体流动与传热特性的影响.结果表明:在不同的热边界条件下,稀薄效应对微通道内气体流动特性的影响一致,即均使得气体流速增大,通道摩擦系数减小;由于气体温度场分布的差异,使得稀薄效应对气体传热特性的影响截然不同,在恒壁温边界条件下气体传热特性有所提高,而在恒热流边界条件下气体传热特性有所减弱.     

MCM芯片封装散热结构优化设计研究

MCM芯片组件的热分析技术芯片封装是现代电子封装的关键技术之一。本文主要以PATRAN/NASTRAN软件平台软件为基础,利用有限元法对MCM芯片封装散热结构进行热设计分析,针对不同的冷却对流系数分析结构的散热特性,并且对散热结构进行灵敏度分析,为芯片封装的结构优化设计提供了重要的理论基础。     

大功率LED的热阻计算方法

在设计的早期,对大功率发光二极管的热阻进行估算对于实行有效的热管理非常重要。提出的热阻计算方法基于热的定角度传播,考虑了边界效应,得到了覆盖芯片尺寸和衬底厚度条件的热阻精确解。假设LED封装的侧壁是绝热的,底部被连接到热沉。为了保持模型连续,使用一个自定义函数来代替原始模型的分段函数。热阻计算公式的最后表述适用于各种边界条件,并对不同材质的界面处传播角度的变化进行了讨论。     

基于Mindlin理论新型阶梯环型变幅器弯曲振动特性研究

阶梯型辐射体具有辐射面积大、辐射效率高等优点,在大功率超声领域被广泛应用。在高频大功率声辐射条件下,薄盘的机械强度明显不足;因此应考虑用厚板。从声学工程力学应用角度研究,基于Mindlin理论推导了新型阶梯环形变幅器自由边界条件下的弯曲振动频率方程;并对频率方程进行数值求解和有限元模拟及实验测试;同时还研究了各结构参数及材料对变幅器频率的影响。结果表明,自由边界条件下,有限元模拟结果与厚板理论计算结果都比较接近实验测试结果,误差较小。当其他参数一定时,在厚板范围内,前三阶频率随圆盘基底厚度、圆盘厚度的增加而增加;随内半径和外径的增加减小;随阶梯半径的增大而增大。所取材料的前三阶有限元模拟频率与厚板理论计算结果误差较小,其中45号钢频率最大,而铜频率最小,铝频率居中,研究结论对大功率阶梯型辐射体及辐射器的设计和应用提供理论参考和频率调试依据。     

附件机匣出油口润滑油温度计算方法

附件机匣出油口温度是飞机发动机多种部件设计时所需的重要参数.机匣出油口润滑油的温度、机匣内部润滑油温度场的分布和机匣壳体散热量三者互为计算条件,给计算带来困难.推导了机匣壳体散热量的理论计算模型,研究了用有限元软件计算散热量的方法,此外应用迭代方法解决了机匣内润滑油温度场未知的问题,计算出机匣壳体的散热量,从而得到附件机匣温度场的分布和机匣出油口润滑油的温度.经验证:计算结果与经验值相符,经验值偏于安全.编制出的利用ANSYS结果数据库计算散热量的程序,能够计算形状和边界条件复杂以及各向异性导热体的散热量,与理论计算值相比该程序的计算误差小于1%.     

基于分形理论及蒙特卡罗法的电主轴热特性分析

为了在设计阶段解决高速主轴在实际加工中因温升过高而突然失效问题,构建了主轴热-结构耦合有限元瞬态分析模型.提出了基于接触角迭代法的滚动轴承生热功率求解方法,利用电动机效率分析法求解其生热功率.引入分形理论与蒙特卡罗方法计算结合面间接触热导,有效避免了统计学方法的不准确性与实验法通用性不强的缺陷.由雷诺数判定冷却液流动状态,并依据努赛尔数计算出主轴不同部件的对流换热系数.将上述边界条件施加到有限元模型中,对主轴温度场与热变形进行仿真.结果表明,高速主轴热特性建模方法正确,并能准确预测主轴温度场分布和热变形.     

奇异热流密度场的数值分析(I)——热传导特征解问题

为得到用于分析奇异热流密度场的高效的有限元列式,针对不同材料中界面裂纹尖端的扇形区域,推导出二维热传导特征解问题的基本方程和边界条件的弱形式.利用特征方程展开方法,可获得分析裂纹尖端处二维热传导特征解的一维有限元列式.该列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后得到一个二次特征根矩阵的总体方程.求解该方程可得到二维热传导问题的特征解.数值计算表明,该方法可高效准确地求解奇异热流密度场特征解.     

奇异热流密度场的数值分析(Ⅰ)——热传导特征解问题

为得到用于分析奇异热流密度场的高效的有限元列式,针对不同材料中界面裂纹尖端的扇形区域,推导出二维热传导特征解问题的基本方程和边界条件的弱形式．利用特征方程展开方法,可获得分析裂纹尖端处二维热传导特征解的一维有限元列式．该列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后得到一个二次特征根矩阵的总体方程．求解该方程可得到二维热传导问题的特征解．数值计算表明,该方法可高效准确地求解奇异热流密度场特征解．     

基于ANSYS Icepak的车载电源机箱热仿真分析

根据某型号的车载电源热载荷要求,对电源机箱内的各电源模块和机箱进行热仿真分析.根据车载电源实物建立实物三维模型.确定网格划分参数和电源机箱各元器件参数,计算车载电源内部元器件的热堆集,以及机箱在风冷条件下的整体表面散热性能.通过ANSYS Icepak软件进行有限元热仿真分析,验证机箱设计条件、升温幅度.为优化和改进该型号车载电源机箱外观设计、散热形式、内部元器件布置和内部元器件功率的选择提供参考.     

固定管板式热交换器应力分析

 管壳式热交换器因其可靠性高、适用性广泛成为很多工业部门中应用最广的热交换器。常规设计采用GB 151—1999《管壳式换热器》中当量等效近似方法,该当量等效力学模型和实际结构存在较大差异,尤其对于大型高参数热交换器,若无法应用常规设计方法,必须进行分析设计。有限元方法是最常见的分析设计方法。本文应用ANSYS通用有限元软件,对某实验台用热交换器建立了有限元模型,模型分别采用实体单元和梁、壳单元对固定管板式热交换器的壳体、管板和换热管所构成的固定连接结构进行了应力分析研究,以及温度载荷和压力载荷同时作用下的有限元分析。在实验台上进行与有限元分析中引用载荷相同的温度和压力载荷进行实验,并将实验结果与有限元分析结果进行比较,研究表明采用梁、壳单元或实体单元均能获得较精确的结果。考虑到热交换器的建模难度、工程精度需求和计算时间,对于大型高参数热交换器有限元分析采用梁、壳单元进行模拟,既可保证计算精度,又可降低建模难度,是切实可行的处理方法。     

基于有限体积法的稳态热传导结构拓扑优化

针对散热结构拓扑优化设计的研究现状,提出一种基于有限体积法的稳态热传导结构的拓扑优化设计,构建两种区域离散策略,即内节点法和外节点法.借助变密度法拓扑优化理论,建立以散热弱度为目标函数的稳态热传导结构的拓扑优化数学模型,研究在第一、二和三类边界条件下的优化问题.算例计算结果表明,基于不同区域离散格式外节点法和内节点的拓扑优化设计均能有效改善结构的散热效果,且能获得良好的拓扑优化构型,对微热源的影响也能识别最佳的散热路径.