自然循环回路内芯片的强化沸腾换热研究

针对电子器件的高效冷却问题,对自然循环回路系统内表面加工有方柱形微结构的硅片上FC-72的强化沸腾换热性能进行了实验研究.测试了两个芯片,其表面上的方柱形微结构的边长均为30μm,但高度分别为60 μm和200 μm.沸腾介质的过冷度设为10 K、25 K和35 K.随着壁面过热度的增加,微结构表面芯片上的热流密度急剧增加且临界热流密度时芯片的表面温度低于芯片回路正常工作的临界上限温度85℃,这与其在池沸腾换热中的特点一样.但临界热流密度值与池沸腾情况相比有所降低.     

方柱微结构表面射流-流动沸腾强化换热

采用长×宽×厚为10 mm×10 mm×0.5 mm的硅片来模拟实际芯片散热,通过干腐蚀技术在其表面加工出宽×高分别为50μm×60μm,50μm×120μm的方柱微结构,实验研究了方柱微结构在射流冲击下的流动沸腾换热性能。过冷度为25℃和35℃,横流速度V_c为0.5,1.0,1.5 m/s,喷射速度V_j为0～2 m/s,冷却工质为FC-72。实验结果和同工况下的光滑表面作了对比。结果表明,方柱微结构由于换热面积的增加从而表现出优于光滑表面的强化换热性能,增加过冷度和提高V_c以及V_j都提高了芯片在高热流密度下的换热性能,但随着V_c的增加,射流冲击的强化作用减弱,低流动高喷射的强化效果最为明显。方柱肋片效率随着热流密度的增加而减小,随着V_c(V_j)增加,方柱肋片效率也逐渐下降,但降幅随着V_c的增加而减小。     

亲疏水表面换热性能及其沸腾现象的微细化研究

本实验提出了复合方柱微结构的亲疏水强化换热表面,并对其在FC-72工质中的池沸腾换热进行研究。实验采用光滑芯片和方柱微结构高效换热PF30-60芯片作为对比组,通过使用装有显微镜头的高速摄像机对微细化沸腾现象进行捕捉。实验及分析结果表明:亲疏水表面芯片可有效提高沸腾的临界热流密度,降低沸腾起始点对应的壁面过热度,同时在相同热流密度下其壁面温度较PF30-60降低6～9 K;由于微结构区域提供数目可观的汽化核心,不断生长滑移的汽泡被困在光滑亲水通道,在亲水面及两侧微结构作用下加速汽泡的生长合并与脱离,因此沸腾换热效果得到显著提高。     

微结构表面上FC-72的强化沸腾换热研究

针对电子器件的高效冷却问题,对表面加工有微结构的硅片上FC-72的池沸腾换热性能进行了实验研究。测试了四种表面微结构,采用化学蒸汽沉积法在芯片表面生成-SiO2薄层所形成的亚微米粗糙面(Chip CVD),采用溅射方法在芯片表面生成-SiO2薄层,然后再对SiO2层进行湿式腐蚀技术处理形成的亚微米粗糙面(Chip E),采用一系列微电子加工技术生成的微米级双重入口洞穴(Chip CAVITY)以及采用干式腐蚀方法生成的方柱微结构(Chip PF)。实验所得的沸腾曲线表明,所有微结构表面与光滑面(Chip S)相比都显示出较大的强化沸腾换热效果,临界热流密度按芯片 S、E、CVD、CAVITY和PF的顺序增大。对于芯片PF来说,随着壁面过热度的增加,热流量呈剧烈的增加趋势且临界热流密度时芯片的表面温度低于芯片回路正常工作的临界上限温度85℃,最大临界热流密度可达80 W／cm2。     

柱状微结构射流强化换热性能研究

对电子芯片射流冲击强化沸腾换热进行了实验研究。通过干腐蚀技术在硅片表面加工出交错排列30μm×60μm,50μm×60μm,50μm×120μm,30μm×120μm(宽×高)的柱状微结构,硅片尺寸为10 mm×10 mm×0.5mm。实验工质为FC-72,喷射速度V_j分别为0.5,1和1.5 m·s~(-1),喷嘴数目分别为1,4和9,对应的喷嘴直径分别为3,1.5和1 mm,喷嘴出口到芯片表面的距离分别为3,6和9 mm。实验表明,交错排列柱状微结构的换热效果要好于光滑芯片,临界热流密度(CHF)随着喷射速度的增加而增加。在核态沸腾区的整个喷射速度区间内,S-PF30-120的传热系数和CHF都是最高的。同时,对不同的换热方式进行了比较,包括池沸腾,流动沸腾,射流冲击和流动-喷射复合式沸腾换热。     

机械振荡下微结构表面沸腾换热性能实验研究

进行了柱状微结构表面在添加机械振荡条件下池沸腾换热性能的实验研究。通过干腐蚀技术在硅片表面加工出30μm×60μm、50μm×60μm的方柱微结构,硅片尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm。实验研究了四组芯片,分别为光滑、PF30-60正规、PF30-60交错及PF50-60交错,实验工质为无水乙醇,同时在芯片上方安装振荡装置以达到强化换热的目的。实验结果表明,机械振荡对沸腾换热有强化作用,且在单相对流阶段强化作用尤其显著,同时CHF有20%左右的提高,核态沸腾阶段换热系数有一定增强。另外,所有柱状微结构芯片换热效果都优于光滑芯片,主要归结于换热面积的增加。     

柱状微结构浸没喷射沸腾强化换热实验研究

对电子芯片在FC-72工质中浸没喷射沸腾换热进行了实验研究。通过干腐蚀技术在硅片表面加工出50μm×60μm,50μm×120μm(宽×高)的柱状微结构,硅片尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm,过冷度分别为25、35 K,喷射速度V_j分别为0.5、1.0、1.5 m/s。实验表明,临界热流密度随着喷射速度和过冷度的增加而增加,增加过冷度和喷射速度可减小气泡脱离时的尺寸,增加气泡脱离频率,因此提高了临界热流密度并且降低了壁面温度。此外,在单相对流换热区对流换热占据主导地位,热流密度随着壁面过热度线性增加;在核态沸腾换热区,对流换热与核态沸腾换热同时影响着换热过程。当喷射速度较小时,核态沸腾区曲线的斜率比单相对流区曲线的斜率大得多,显示出浸没喷射沸腾的优良换热性能。     

交错排列柱状微结构射流冲击强化换热实验研究

对电子芯片在FC-72工质中浸没喷射沸腾换热进行了实验研究。通过干腐蚀技术在硅片表面加工出交错排列的柱状微结构(30μm×60νm,50μm×60μm,50μm×120μm,30νm×120μ1,宽×高),硅片尺寸为10 mm×10mm×0.5 mm,过冷度为35 K,喷射速度V分别为0.5,1,1.5 m/s。喷嘴数目分别为1,4和9,直径分别为3,1.5和1mm。喷嘴出口到芯片表面的距离分别为3,6和9 mm。实验表明,交错排列柱状微结构的换热效果要好于光滑芯片,临界热流密度随着喷射速度的增加而增加。在雷诺数及其他工况相同的情况下,不同喷嘴数目对换热的影响不同,当n=4时,所有芯片的壁面温度最低,临界热流密度最高,其次是n=9,换热效果最差的是n=1。在雷诺数及其他工况相同的情况下,所有芯片的换热性能在喷射距离s=3 mm时最好,其壁温最低,临界热流密度最高,随着喷射距离的增加,其壁面温度逐渐升高,临界热流密度逐渐减小。     

柱–孔复合微结构沸腾换热性能及强化机理的研究

本实验研究了9种不同的柱–孔复合微结构表面在HFE-7100中的池沸腾性能。实验结果表明,柱–孔复合微结构表面核态沸腾起始点的壁面过热度均降至0 K左右,显著低于光滑表面(SS)与普通微柱表面(PF-30-60),其核态沸腾换热系数(HTC)相比于PF-30-60和SS显著增加,且HTC的增幅随着微孔数量的增加而增大。柱–孔复合微结构表面的汽泡主要产生于微柱顶部的微孔,因此在高热流密度下,微通道中的汽泡堵塞得以缓解,使其临界热流密度(CHF)高于PF-30-60和SS。表面的HTC随着微柱高度(H)的增大而提高,但CHF却随着H的提高出现先提高后保持不变的趋势,这说明对于这种表面而言,柱高的提高不一定可以有效提升CHF。     

水平矩形通道内流动沸腾换热特性实验研究

在常压条件下,对水平矩形通道内R113的流动沸腾换热过程进行了可视化实验研究.通过对加热平板上流动沸腾换热所形成的气泡形态的观测,发现随着热流密度的增大,流动沸腾的起沸点距离逐渐减小,并且减小的程度趋于平缓.随着热流密度的增大,气泡数量逐渐增多,且脱离速度也加快,气泡逐渐融合,直径逐渐变大.将本文的实验结果与文献中的对应结果进行对比,分析了流动沸腾换热中影响总体传热效果的主导因素由核态沸腾换热向强制对流换热转变。