高性能微通道散熱器研究.pdf

1、高性能微通道散熱器的研究對于大熱流密度電子器件的散熱有著重要價值和應(yīng)用前景，但微通道散熱器中工質(zhì)的流動、換熱特性及其本身的散熱性能還不被完全掌握，需要進(jìn)行深入研究，為工程設(shè)計與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本文首先對液體工質(zhì)在微通道散熱器內(nèi)的主要傳熱面結(jié)構(gòu)-微通道內(nèi)的流動和傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，對當(dāng)量直徑為200μm～1000μm的橫截面分別為矩形、三角形、半圓形的六種微通道內(nèi)工質(zhì)流動特性和傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測，Re

2、數(shù)范圍為100～10000，底部加熱熱流密度為1．0×105W/㎡～4．0×105W/㎡。實(shí)驗(yàn)獲得了各個微通道的沿程阻力和局部阻力等流動特性，以及壁面溫度、局部對流換熱系數(shù)和局部Nu數(shù)等傳熱特性。結(jié)果表明，微通道內(nèi)的工質(zhì)流動在本文實(shí)驗(yàn)條件下均現(xiàn)出了微尺度效應(yīng)，沿程阻力系數(shù)均小于常規(guī)尺度下的理論值，流動狀態(tài)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)發(fā)生了較大提前，由層流向湍流開始轉(zhuǎn)變的臨界Rec數(shù)約為800～1100；局部阻力系數(shù)隨Re數(shù)的增大而減小；矩形微通道的局部Nu數(shù)

3、要大于三角形的。本文還實(shí)驗(yàn)對比分析了不同當(dāng)量直徑、不同截面形狀等因素的影響。結(jié)果表明，當(dāng)量直徑越小，沿程阻力系數(shù)越??；矩形截面微通道的沿程阻力系數(shù)略大于三角形和半圓形截面的。 在微通道內(nèi)流體流動與傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，首先對微通道散熱器及樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，然后設(shè)計了一套散熱器性能測試系統(tǒng)來對散熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，完成了性能測試系統(tǒng)中的模擬熱源的設(shè)計、儲液罐的設(shè)計和泵的選型等，最后對散熱器和性能測試系統(tǒng)進(jìn)行加工、組建和調(diào)試。應(yīng)

4、用性能測試系統(tǒng)對三個不同通道截面尺寸的散熱器樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究。流體工質(zhì)為去離子水，底部加熱功率分別為50W、100W、200W和300W，流量為0．3L/min～5L/min。實(shí)驗(yàn)獲得了不同工況條件下散熱器進(jìn)出口流體壓差和溫差、底部溫度分布和熱流密度等結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示：微通道截面為0．5mm×1．2mm的散熱器的表面平均溫度最低，對該散熱器進(jìn)行加熱功率為400W、流量為0．3L/min～5L/min的實(shí)驗(yàn)觀測，發(fā)現(xiàn)其平均表面溫度

5、低于安全溫度70℃，得到此時的最大熱流密度約為7．0×105W/㎡。本文還對三個散熱器的散熱性能進(jìn)行了綜合分析，并同時考慮進(jìn)出口壓差和表面最大溫度的制約，得到了各個散熱器在最佳性能時的流量。 本文還采用數(shù)值計算的方法對三個散熱器內(nèi)工質(zhì)的流動和傳熱細(xì)節(jié)進(jìn)行了模擬，對實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行補(bǔ)充。通過模擬得到了工質(zhì)在散熱器內(nèi)部各截面的速度分布和溫度分布。模擬結(jié)果表明，工質(zhì)在散熱器內(nèi)兩側(cè)通道的流速大于中間通道的；散熱器內(nèi)溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在微通道區(qū)域