微通道散热器新型通道设计及性能分析

微电子设备的发热问题严重影响着其可靠性,散热器的热设计已成为微电子设备结构设计中不可忽略的一个重要环节。微通道散热是近年来发展起来的一种新型散热措施。设计了多种新型的微通道散热器结构,并利用数值方法研究了新型微通道结构散热性能及微通道内流体的流场分布情况。研究结果表明,新型微通道散热器增大了换热比表面积,具有较好的散热效率。菱形肋微通道(导流角度120°)的散热效率改善的尤为明显。各新型微通道靠近壁面的死区较少,流体与通道的接触面积也更多,因而换热效果较好。尤其是菱形肋微通道(导流角度30°)内的流场分布更为均匀。     

嵌入式微通道散热器实验与数值研究

针对高热流密度固体激光器的散热问题,借助微机电系统(MEMS)技术,利用微通道/热源协同设计方法,换热器采用连续S型微通道,并利用歧管形成分层分段流动,研制出了一套微型紧凑的嵌入式歧管S型微通道散热器,并开展了实验研究。使用HFE-7100作为冷却工质,在发热面局部最高温度小于100℃、平均温升小于45℃的情况下,两相时可带走625 W/cm²的热通量,相比传统的歧管矩形微通道散热器提高了12%,但流阻增大了约56%;利用数值模拟方法,通过改变S型的振幅和波长,根据发热面平均温度、换热面平均努塞尔数、压降和综合性能因子来评估S型微通道散热器的结构参数对其散热能力和流动阻力的影响,寻找S型微通道的最优结构设计参数组合。结果表明该散热器的综合性能因子在一个特定的S型形状下存在最佳值。     

周期性分流微通道的结构设计及散热性能

微通道散热器在集成电路中具有重要应用,但目前传统的长直微通道散热过程导致温度不均匀,散热效率较低.本文设计了一种周期性分流微结构并与传统微通道进行集成,实现了一种高效率的周期性分流微通道散热器.基于以上周期性分流微通道,系统研究了单根微通道内微结构数目、微结构的排布方式及结构参数对其散热性能的影响.结果表明,引入的分流微结构可增大换热面积、打破原有层流边界层、促进冷/热冷却液混合、显著改善微通道散热性能.在100 W/cm2的热流密度下,入口端冷却液流速为1.18 m/s时,单根微通道内引入9组微结构后,其最高温度下降约24 K,热阻下降约44%,努塞尔数增大约124%,整体传热性能(PEC)达1.465.进一步地,微结构采用交错渐变的周期排布方式,沿流动方向逐渐变宽的扰流元使得冷却液被充分利用,减少了高/低温区的存在且缓解了散热面沿流动方向存在的温度梯度,压降损失相较于均匀排布也有一定程度的降低,有效提升了散热效率.本文提出的周期性分流微通道将在大功率集成电路及电子冷却领域中具有广阔的应用前景.     

大功率光导开关硅微通道散热器设计与测试

 因焦耳加热导致光导开关芯片温度升高并形成局部热点,影响了光导开关功率容量、重复频率和寿命的提高,因此需对光导开关进行主动冷却。设计了一种矩形微槽硅微通道散热器,其由散热器本体和盖板两部分组成,散热器本体上设有分流槽、矩形微槽阵列、汇流槽,盖板通过半导体刻蚀工艺形成通孔,两部分通过硅-硅键合工艺连接以形成闭合通道。以水为工质,实验测试了不同冷却工质流量、进口温度时微通道散热器的换热性能、温度均匀性和流体阻力,证明该微通道散热器在适中的冷却工质流量下具有较高的换热性能、较低的流体阻力和较好的温度均匀性,满足重复频率大功率光导开关的散热冷却需求。     

循环风冷却式电抗器散热结构优化与分析

基于某密闭式大型电力电子设备中电抗器的散热需求,采用了蒸发冷却式的循环风冷散热系统;同时为电抗器设计了一种散热结构,用于提高电抗器的散热性能;并运用计算流体力学软件Ansys/icepak,对该结构进行了仿真优化;分析了循环风量以及该散热结构中的散热器通道宽度,导热片的数量、厚度、排列规律对电抗器散热性能的影响。研究结果表明,在散热器通道宽度为5mm、循环风量为800m3/h,采用不等间距的方式排列5块5mm的铜导热片时,该结构散热条件最佳;电抗器温升可以得到有效的控制,且温度分布均匀,满足系统的使用要求;同时也为该类电抗器的热设计提供了理论依据。     

车用散热器百叶窗翅片结构仿真优化

随着现代发动机技术的进步,发动机功率和性能的提升,也对发动机散热器提出了更高的要求。在兼备良好的散热性能和稳定性的同时,更要求散热器结构紧凑,以实现轻型化。通过对车用发动机管带式散热器的局部翅片和整体散热器进行三维建模,分析百叶窗翅片角度、翅片波距、翅片波高对空气侧压降影响,并对影响散热器散热性能主要因素进行分析。然后采用了多孔介质代替翅片的方法,模拟整体散热器的散热性能,并对比实验结果验证仿真模型准确性。最后拟合仿真数据的总传热系数和空气侧压降系数,建立粒子群算法优化数学模型。在不改变散热器外形尺寸和空气侧压降符合设计标准的情况下,优化散热器的翅片结构。翅片结构优化后,空气侧压降基本不变,散热量提升了11.6%。     

多孔肋微通道相变微胶囊悬浮液的传热分析

为了提高微通道热沉的水力性能和热力性能,采用等效比热容法对相变微胶囊悬浮液在固体肋和多孔肋微通道热沉内的流动与传热特性进行研究。结果表明：多孔肋可以使微通道热沉的压降显著降低,对热阻的影响随微通道内冷却剂流动距离变化。相变微胶囊悬浮液相变吸收潜热可以减小微通道热沉的热阻,但是粘度增大使得压降增大。多孔肋和相变微胶囊悬浮液都能提高微通道热沉的综合性能,相变微胶囊悬浮液在多孔肋微通道热沉中比水在固体肋微通道热沉中的综合性能提高了14%。     

新型分形树状微通道散热器的实验研究

本文借鉴人体内呼吸循环系统的分形结构,利用微电子机械光刻加工工艺,设计制造了一套新型分形树状微通道微电子芯片散热器。散热器的初始通道长10 mm,水力直径为48．1μm,分形维数D=2,循环次数m=4。实验测试结果表明,分形网络在提高了散热容量的同时还降低了泵功消耗,热有效性大大高于平行通道散热器,且与理论预测结果基本吻合。     

多孔材料微通道流动沸腾可视化实验研究

微通道换热器因其结构紧凑、换热能力高、工质消耗少等优点成为解决微小空间"散热难"问题的有效途径之一,采用多孔材料制作的微通道热沉能够极大地增加换热面体比,因而可以进一步提高其换热能力.本文利用可视化手段对槽道翅片顶部与盖板间留有狭缝、通道截面为矩形(400 μm×600 μm)的开放型多孔微通道的流动沸腾现象进行实验研...     

高功率二极管激光器相变冷却技术

根据高功率二极管激光器的散热需求,设计了一种储能式相变冷却实验系统,并开展了喷雾相变冷却器和微通道相变冷却器的设计。采用多孔微结构的换热表面,用氨做制冷剂,实现了喷雾相变冷却器表面温度37 ℃时,散热功率密度达到了511 W/cm2。采用节流汽化原理,分别设计了背冷式相变微通道冷却器和薄片型的模块式相变微通道冷却器,背冷式相变微通道冷却器采用氨做制冷剂, 散热功率密度达到了550 W/cm2,采用R124做制冷剂,散热功率密度约270 W/cm2。采用R124做制冷剂,实现了脉冲激光功率3 kW和连续激光功率100 W的相变冷却二极管激光器模块封装。     

激光二极管高效铜微通道冷却器设计

 通过对铜微通道冷却器的散热分析，设计出５层结构的模块式铜微通道冷却器。采用常规的线切割工艺加工，散热通道宽大约200μm，深300μm，各层间用真空钎焊的方法组装。该冷却器对于腔长06mm、宽10mm的线阵激光二极管芯片热阻为0.58℃/W。通过面阵激光二极管封装实验证明，该冷却器可用于10％占空比工作的面阵激光二极管封装。     

多孔微热沉大功率LED阵列散热数值分析

对采用多孔微热沉的大功率LED阵列主动散热方案进行散热分析,系统采用一个微泵驱动,依靠封闭多孔微热沉系统实现大功率LED阵列的高效散热。数值分析表明:在没有采用多孔微热沉而仅依靠冷却工质散热的情况下,芯片最高温度为87℃,采用上述冷却方案后,芯片温度大幅度降低,系统散热效果明显改善。并且孔隙率和工质入口流速都对系统换热有很大的影响。研究结果表明多孔微热沉系统可以有效解决大功率LED阵列散热问题,提高LED芯片的寿命和性能。     

梳状散热器结构和角度对大功率LED结温的影响

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent模拟了梳状肋片散热器的大功率LED灯的温度场分布。从散热器肋片高度、肋片间距以及灯具的照射角度三方面分析了散热器的散热效果。通过对比分析不同散热器的速度流场与温度场分布,得知当肋片高度为10mm、间距为4.1mm时散热器散热效果最佳。灯具的照射角度也会影响到散热器的散热性能,当照射角为90°时散热器性能最佳。     

数据中心服务器U型流道水冷散热器的性能研究

如何使散热器在保持较低流阻的基础上强化其散热性能,成为数据中心服务器冷却问题研究的焦点。通过对不同宽度比U型流道散热器的性能分析,发现宽度比为0.6、0.7或0.8的散热器,同时具有较佳的流动性能和散热性能。设计并制作了β为0.6的U型流道散热器,通过实验分析不同冷却水流量下散热器的芯片温度、热阻以及摩擦因子f,得出散热器最佳的冷却水流量为15 mL/s,以最小的流动损失获取更佳的散热效果。     

小尺度沟槽表面和近距离布置光面构成通道中传热特性数值研究

针对IGBT的冷却问题,通过三维数值模拟方法对一种微槽结构散热器内部的换热特性进行了研究。由于IGBT所需散热面积较大,常规微米级尺度的微槽通道在满足换热要求的同时往往需要消耗较大的泵功率,据此提出一种小尺度沟槽表面通道结构,以水为冷却剂对通道内充分发展层流流动换热特性进行了数值研究,并与平表面通道内换热特性进行对比。结果表明:新型微槽表面通道可有效增强对流换热效果,且对流换热系数随着雷诺数的增大而增大。     

多孔金属布置对热沉传热特性影响的数值研究

本文基于传统微通道热沉的物理模型,建立了完全填充、三角形填充、梯形填充、渐扩梯形填充及底层填充5种不同几何布置形态的多孔金属微通道热沉的数值模型。在层流流动的范围内,对不同布置形态多孔金属微通道热沉的阻力系数、平均Nu数、热阻、有效温控系数及能效因子等相关参数进行了数值研究,并应用场协同原理对多孔金属强化微通道的换热性能进行了分析。结果表明:微通道热沉中填充多孔金属后可显著改善速度场与温度场之间的协同性,填充不同多孔金属布置形态的微通道热沉可使平均协同角减小9.6°~23.2°左右;5种不同多孔金属布置形态的热沉中,完全填充热沉的热阻最小,冷却效果最好;等泵功情况下,当Re数大于150时,完全填充和梯形填充热沉的综合换热性能均优于传统微通道。     

电子芯片散热器特性的测试研究

电子芯片散热问题的解决进程直接影响着计算机技术的发展。目前,电子芯片冷却中应用最广泛的仍然是空气散热器。因此,对散热器的性能进行检测非常重要,但缺少统一的标准检测与评价方法。本文采用一个试验装置对两个不同类型的散热器的性能进行测试,并对结果进行整理,分析了散热器的稳态、瞬态下的储热和散热性能。从而探索了标准的散热器性能评价方法及标准的散热器性能测试方式。     

微槽群相变散热器传热性能的实验研究

本文对应用于大功率芯片散热的微槽群相变散热器的散热性能进行了实验研究,实验中采用了一种能强化系统换热性能的混合液体工质2-Methylpentane与甲醇.实验结果表明,一定的真空度和充液率下,充入一定摩尔配比的该种混合工质,在同一散热热流密度下,与前人的工作相比,能够使芯片表面温度降低7～9℃.其散热性能能够满足当今大功率高性能电子芯片的散热需求.     

微方肋冷却系统的换热特性

采用去离子水为冷却介质,对自行设计的不同结构微方肋散热器内的换热特性进行实验研究,结果表明:在进口温度为20 ℃、进口流量为57.225 L/h、底面平均温度为73.4 ℃时,散热器散热量可达2.83106 W/cm2,可以满足当前高热流密度散热需求;当散热面温度一定时,散热量随着散热器进口流量的增加而增加,但增速随散热器底面温度的增加变缓;努谢尔特数随雷诺数的增加而成幂次方增加,常规针肋结构和微针肋结构换热关系式不满足微方肋散热器特性。为了更好地表达微方肋散热器内的换热特性,拟合了微方肋散热器内对流换热关系式。     

基于导热塑料的新型LED灯散热器设计与优化

以某中等功率LED灯具为例,设计了塑料散热器的基本构型。采用数值仿真的办法对散热器的性能进行分析,并根据分析结果进行结构改进与优化。结果表明,在同样构型下塑料散热器散热性能低于铝合金散热器;与传统铝合金散热器不同,当肋片高度达到30 mm后,塑料散热器的散热能力趋于稳定;虽然导热塑料的红外发射率较高,仿真分析表明通过热辐射散出的热能只占总热很小的一部分,所以塑料散热器的设计应以增加对流换热面积为主,增加肋片与环境的视角系数是次要考虑因素。改进优化后的塑料散热器达到了和铝合金散热器相近的散热性能,总质量较铝合金散热器减轻了30%,验证了塑料散热器在降低产品重量方面的优越性。