高功率半导体整流管芯片散热效率计算仿真研究

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。     

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.     

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。     

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。     

MEMS多层悬梁微执行器的电-热分析模型研究

在约定的工作条件下,列出了MEMS多层悬梁微执行器热传递方程和初始条件、边界条件,并得到解析解,建立了电-热分析模型.利用Matlab软件包和ANSYS软件包分别进行解析解分析和三维有限元分析,并进行比较.结果表明在500 K附近静态/稳态工作时,对于材料层厚度di＜bL,i=1,2,3,得到温度分布沿长度方向不一致,沿宽度方向一致.解析模型与有限元分析的误差可以小于5%,说明多层悬梁微执行器二维电-热解析模型是有效的.     

风冷式热泵机组结构优化设计及散热性能研究

基于ANSYS ICEM软件对风冷式热泵机组进行物理建模和网格划分,在常规工况下利用Fluent软件对运行机组进行温度场及速度场仿真模拟,分析其散热过程。针对夏季高温,风冷式热泵机组散热效率低下的问题,设计一种辅助散热系统并进行结构优化,通过水帘预冷与雾化喷淋装置强化换热过程,提高散热效率、减少散热死区,并通过实验测试不同辅助装置对机组散热性能的影响。研究结果表明,增加辅助散热系统可有效提高机组散热效率。相同的室外空气状态下,在机组的散热性能和蒸发效率方面,雾化喷淋装置相比水帘预冷装置更具优势。     

钢-木组合结构在火灾中的热响应数值模拟

提出了一种可用于求解钢 -木组合结构温度场分布的二维轴对称火烧热响应模型 ,在该模型的有限元数值模拟中 ,对影响热响应的各种因素 :材料热物性的温度相关性 ,水蒸汽汽化潜热的处理 ,边界条件的非线性 (热辐射 ) ;木材热解、炭化吸热以及火焰温度随时间的不断变化等均进行了有效处理。试验测试结果表明 ,所给出的计算方法可为相应结构的防火性能计算及其优化设计提供理论依据     

CFETRCS模型线圈导体绕组等效材料性能研究

中国核聚变工程试验堆中心螺线管线圈(China fusion engineering test reactor central solenoid,CFETR CS)模型线圈管内电缆导体(cable-in-conduit conductor,CICC)绕组是由超导电缆、不锈钢铠甲绝缘材料组成,在空间上呈周期性分布的大型复杂绕组结构。在进行中心螺管模型线圈分析过程中,为了简化模型、减少计算量、缩短计算时间同时满足分析结果精度的要求,文章通过引入均匀化理论推导出等效弹性参数的求解方程;结合ANSYS有限元分析软件建立导体绕组的单胞模型,在给定的边界条件下通过三维有限元分析方法,对绕组的等效材料力学性能进行分析预测;同时运用该方法准确计算出了国际热核聚变实验堆(international thermonuclear experimental reactor,ITER)CS的等效材料性能,并计算了CFETR CS模型线圈CICC导体绕组等效材料性能。该方法为进一步开展CFETR CS模型线圈乃至CFETR大型磁体的结构分析奠定了一定的基础。     

龙门式加工中心C轴系统瞬态温度场建模与仿真

在分析龙门式加工中心C轴系统内部热源的种类、传热途径以及确定边界条件的基础上,建立了瞬态传热学模型和有限元模型,并推导出节点温度的矩阵方程.用有限元法计算了三维瞬态温度场分布,得出系统达到热平衡所需的时间约1.8h,同时计算了各部件达到热平衡时的温度场分布和温升,最高温度发生在热源处,最高温升为22.402℃,这些为散热结构优化设计提供了理论依据.     

窗口条形半导体激光器中结温升和光输出热饱和特性分析

本文在考虑热沉影响和多热源作用的基础上,对条形半导体激光器中的热传导方程和包含结温升变量的光输出功率方程进行了求解,得到了不同器件材料、结构参数下的窗口条形激光器的结温升及非线性光输出特性。计算结果与实验结果相符。     

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(computational fluid dynamics, 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。     

电磁式磁轨制动器瞬态热分析和结构改进

温度对磁轨制动器极靴的磨损有重要的影响。在Solidwork中建立磁轨制动器三维实体模型,并划分网格,理论计算出磁轨制动器在紧急制动情况下的载荷与边界条件包括热流密度、热对流和热辐射。将它们施加于模型上,进行磁轨制动器瞬态热分析。分析结果展示了极靴在磁轨制动器制动过程中的受热情况。通过得到的磁轨制动器温度场云图,就可以进行磁轨制动器磨损的预测和研究。同时,从增强空气流动和改散极靴散热的角度,设计了一种新的极靴结构。两者对比结果表明,在相同的吸力下,提升了极靴的散热能力。     

基于波动方程的Ansys模型黏弹性边界条件研究

 研究了应用Ansys 有限元软件进行地震波场数值模拟的边界条件问题,提出一种基于波动方程的Ansys 模型黏弹性边界条件构建方法。由波动方程推导并建立了黏弹性边界条件的理论基础,在Ansys 模型中选用带阻尼的Combin14 单元作为加载有限元,采用APDL 代码成功地将黏弹性边界条件施加于Ansys 模型中。对模型进行实例计算,在模型边界设置虚拟检波器,加载Ricker 子波震源,提取计算后的波场快照和时间记录进行对比,结果显示,所施加的黏弹性边界条件可以很好地吸收边界反射波,表明了该方法所构建的Ansys 模型黏弹性边界条件的有效性。     

太阳能半导体制冷因素的研究及其性能优化

以探讨影响太阳能半导体制冷因素为主线,对太阳能半导体制冷性能进行了优化探讨.分析了太阳能半导体的应用前景和工作原理.对影响太阳能半导体制冷性能的因素包括太阳辐射强度、太阳能电池板的光电转换效率、半导体制冷热端散热方式、半导体制冷系统的设计工况、蓄电池的工作状态、半导体制冷电臂的结构以及热电材料的优值系数进行了系统分析.对太阳能半导体制冷系统提出了一些建议和优化措施.