高效微小通道熱沉散熱系統(tǒng)設計及其實驗研究.pdf

1、微通道熱沉由于結(jié)構緊湊，比表面積大，換熱能力強，易于集成和工作安全可靠等優(yōu)點，使其成為高熱流密度電子器件散熱和飛行器熱控領域的有效裝置。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，針對幾種不同結(jié)構的微小通道熱沉散熱系統(tǒng)進行了一系列實驗和理論研究。
　　 本文針對不同的應用空間場合，設計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)構型式。采用機械加工方式設計和加工了矩形平行直列通道和交錯肋片擾流通道結(jié)構熱沉，實驗研

2、究了其在不同結(jié)構型式和加熱功率下的系統(tǒng)運行特性。實驗和數(shù)值模擬對比分析表明交錯肋片布置結(jié)構中由于交錯肋對流體的不斷擾動，抑制了邊界層沿流動方向的充分發(fā)展，從而增強了換熱效果，較矩形直列熱沉結(jié)構具有更好的散熱性能，其平均換熱能力提高了19.4％以上，但在每列的交錯肋片的前后端處有流動渦形成，帶來了阻力增大的問題。此外，從場協(xié)同的角度出發(fā)分析了交錯肋片結(jié)構強化傳熱和流動阻力增加的機理。流體沿其流動方向在每個肋片的前后端都受到新的擾動，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)值遠小于矩形直列通道的場協(xié)同角β大小，提高了對流換熱強度。但在流體擾動的同時，帶來了阻力增加的問題，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)構的傳熱和流動情況，引入溫度梯度矢量和速度梯度矢量 之間的γ協(xié)同角關系，顯示交錯肋片結(jié)構具有相對較優(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)展以強化傳熱的目的，本文設計了一種新型多

4、層交錯蜂窩板疊合微小通道熱沉結(jié)構。采用光化學刻蝕方法加工的蜂窩微小通道板通過層層疊加的方式，在熱沉內(nèi)部形成微肋交錯擾動的流體通道。該方法通過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，構建了交錯擾流的三維立體結(jié)構，解決了整體加工難度大及制造成本高等問題。針對該新型結(jié)構微小通道熱沉設計，在不同流量，不同加熱功率，不同工質(zhì)，不同熱沉設計尺寸等實驗情況下對其散熱系統(tǒng)進行了性能測試實驗，對影響該系統(tǒng)性能的因素進行了分析和討論。實驗發(fā)

5、現(xiàn)流量對系統(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，必須對系統(tǒng)結(jié)構進行優(yōu)化以減少系統(tǒng)阻力，為此改進了系統(tǒng)結(jié)構方案，采用了系統(tǒng)管路與微泵管路大小匹配，加大熱沉進出口管徑，設置熱沉多進出口布置等方式進行系統(tǒng)減阻，并對此做了對比實驗。單進單出熱沉進出口管尺寸為φ4mm的熱沉結(jié)構較進出管尺寸為φ2mm的熱沉結(jié)構，在同樣加熱140W情況下，基板壁面溫度下降了14.9℃。實驗發(fā)現(xiàn)工質(zhì)對系統(tǒng)的運行特性也有一定的影響，本文實驗對比了

6、多層交錯蜂窩板疊合微小通道熱沉結(jié)構分別以水和無水乙醇為工質(zhì)的運行特性，由于水的比熱容較大，其系統(tǒng)性能較無水乙醇系統(tǒng)要好。
　　 通過將多層交錯蜂窩板疊合微小通道熱沉結(jié)構抽象成多孔介質(zhì)模型，利用修正的達西方程和雙能量方程模型對其進行了整體模擬和性能分析，數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果相一致。并針對各種不同的進出口布置方式，對熱沉基板溫度分布和壓降情況進行了對比分析。分析結(jié)果指出多進出口設計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