高效微小通道熱沉散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微通道熱沉由于結(jié)構(gòu)緊湊，比表面積大，換熱能力強(qiáng)，易于集成和工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，使其成為高熱流密度電子器件散熱和飛行器熱控領(lǐng)域的有效裝置。本文綜合介紹和分析了微小通道熱沉散熱系統(tǒng)的工作原理及其特性，針對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)的微小通道熱沉散熱系統(tǒng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和理論研究。
　　 本文針對(duì)不同的應(yīng)用空間場(chǎng)合，設(shè)計(jì)了微小通道熱沉散熱系統(tǒng)整體方案和系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)型式。采用機(jī)械加工方式設(shè)計(jì)和加工了矩形平行直列通道和交錯(cuò)肋片擾流通道結(jié)構(gòu)熱沉，實(shí)驗(yàn)研

2、究了其在不同結(jié)構(gòu)型式和加熱功率下的系統(tǒng)運(yùn)行特性。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比分析表明交錯(cuò)肋片布置結(jié)構(gòu)中由于交錯(cuò)肋對(duì)流體的不斷擾動(dòng)，抑制了邊界層沿流動(dòng)方向的充分發(fā)展，從而增強(qiáng)了換熱效果，較矩形直列熱沉結(jié)構(gòu)具有更好的散熱性能，其平均換熱能力提高了19.4％以上，但在每列的交錯(cuò)肋片的前后端處有流動(dòng)渦形成，帶來(lái)了阻力增大的問(wèn)題。此外，從場(chǎng)協(xié)同的角度出發(fā)分析了交錯(cuò)肋片結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱和流動(dòng)阻力增加的機(jī)理。流體沿其流動(dòng)方向在每個(gè)肋片的前后端都受到新的擾動(dòng)，在這些

3、位置上熱流和速度矢量之間的β協(xié)同角呈周期性地變化，其數(shù)值遠(yuǎn)小于矩形直列通道的場(chǎng)協(xié)同角β大小，提高了對(duì)流換熱強(qiáng)度。但在流體擾動(dòng)的同時(shí)，帶來(lái)了阻力增加的問(wèn)題，其速度矢量和速度梯度矢量之間的α協(xié)同角較平行直流通道要大。綜合考慮兩種結(jié)構(gòu)的傳熱和流動(dòng)情況，引入溫度梯度矢量和速度梯度矢量 之間的γ協(xié)同角關(guān)系，顯示交錯(cuò)肋片結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較優(yōu)的綜合性能。
　　 結(jié)合增大微小通道散熱器比表面積和削弱熱邊界層發(fā)展以強(qiáng)化傳熱的目的，本文設(shè)計(jì)了一種新型多

4、層交錯(cuò)蜂窩板疊合微小通道熱沉結(jié)構(gòu)。采用光化學(xué)刻蝕方法加工的蜂窩微小通道板通過(guò)層層疊加的方式，在熱沉內(nèi)部形成微肋交錯(cuò)擾動(dòng)的流體通道。該方法通過(guò)層疊方式在有限的封裝空間內(nèi)形成較單層流道更大的比表面積，構(gòu)建了交錯(cuò)擾流的三維立體結(jié)構(gòu)，解決了整體加工難度大及制造成本高等問(wèn)題。針對(duì)該新型結(jié)構(gòu)微小通道熱沉設(shè)計(jì)，在不同流量，不同加熱功率，不同工質(zhì)，不同熱沉設(shè)計(jì)尺寸等實(shí)驗(yàn)情況下對(duì)其散熱系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)影響該系統(tǒng)性能的因素進(jìn)行了分析和討論。實(shí)驗(yàn)發(fā)

5、現(xiàn)流量對(duì)系統(tǒng)性能影響很大，為得到較大的系統(tǒng)流量，在微泵泵功受限的情況下，必須對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以減少系統(tǒng)阻力，為此改進(jìn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，采用了系統(tǒng)管路與微泵管路大小匹配，加大熱沉進(jìn)出口管徑，設(shè)置熱沉多進(jìn)出口布置等方式進(jìn)行系統(tǒng)減阻，并對(duì)此做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。單進(jìn)單出熱沉進(jìn)出口管尺寸為φ4mm的熱沉結(jié)構(gòu)較進(jìn)出管尺寸為φ2mm的熱沉結(jié)構(gòu)，在同樣加熱140W情況下，基板壁面溫度下降了14.9℃。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性也有一定的影響，本文實(shí)驗(yàn)對(duì)比了

6、多層交錯(cuò)蜂窩板疊合微小通道熱沉結(jié)構(gòu)分別以水和無(wú)水乙醇為工質(zhì)的運(yùn)行特性，由于水的比熱容較大，其系統(tǒng)性能較無(wú)水乙醇系統(tǒng)要好。
　　 通過(guò)將多層交錯(cuò)蜂窩板疊合微小通道熱沉結(jié)構(gòu)抽象成多孔介質(zhì)模型，利用修正的達(dá)西方程和雙能量方程模型對(duì)其進(jìn)行了整體模擬和性能分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。并針對(duì)各種不同的進(jìn)出口布置方式，對(duì)熱沉基板溫度分布和壓降情況進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果指出多進(jìn)出口設(shè)計(jì)方式在一定流量條件下由于減小了內(nèi)部流速，從而降低了