微尺度散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及冷凝器流型調(diào)控結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)迅猛的發(fā)展，設(shè)備微型化是科技發(fā)展的趨勢(shì)。芯片設(shè)備的高密度集成伴隨著功率密度大幅的增大，帶來設(shè)備發(fā)熱量的集中。過高的溫度會(huì)導(dǎo)致芯片工作穩(wěn)定性下降和使用壽命縮短，因此微電子冷卻成為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。伴隨著芯片密集度不斷增長(zhǎng)，設(shè)備發(fā)熱量還在不斷增大，目前電子冷卻技術(shù)仍處于不斷發(fā)展和改進(jìn)階段。在微電子密集封裝的局限空間下，有限的尺寸內(nèi)提升換熱器散熱性能，并能滿足發(fā)熱設(shè)備的散熱需求是電子冷卻研究的首要任務(wù)。影響散熱設(shè)備性能

2、的主要因素有散熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)、設(shè)備及冷卻工質(zhì)的熱物性和設(shè)備內(nèi)冷卻流體的流型。本論文針對(duì)影響電子冷卻設(shè)備的主要因素，以散熱設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，綜合分析冷卻流體物性和流體流型的影響，從直接和間接兩方面，對(duì)微尺度換熱開展研究。
　　微通道熱沉已廣泛應(yīng)用于高密度組裝的電子設(shè)備冷卻技術(shù)。首先本文對(duì)微電子冷卻的直接散熱設(shè)備微通道熱沉進(jìn)行研究。首次對(duì)基于納米流體為冷卻工質(zhì)的微通道熱沉結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，引入簡(jiǎn)化的共軛梯度法，對(duì)納米流體冷卻微通道的多個(gè)

3、不同幾何變量同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到熱沉最佳散熱性能。納米流體作為替換工質(zhì)能有效提升微通道熱沉性能，在納米流體冷卻的基礎(chǔ)上對(duì)熱沉幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在有限的空間內(nèi)最大程度的提升熱沉換熱能力，為微電子設(shè)備提供更好的工作環(huán)境。研究表明通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，納米流體冷卻微通道熱沉性能有了顯著提升，區(qū)別于單一變量?jī)?yōu)化，多變量?jī)?yōu)化更能接近全局最優(yōu)值，最大化熱沉散熱性能。對(duì)比發(fā)現(xiàn)納米流體冷卻微通道熱沉的最佳結(jié)構(gòu)與水冷熱沉最佳結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，對(duì)不同冷卻流體采用同種結(jié)構(gòu)

4、不能發(fā)揮出其最大散熱性能。針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中不同的操作條件，進(jìn)一步對(duì)不同約束條件下微通道熱沉最佳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。分別對(duì)固定泵功、固定流道入口流率和固定流道進(jìn)出口壓差進(jìn)行了熱沉結(jié)構(gòu)最優(yōu)化分析。在不同約束條件下，也分別得到了不同的最佳結(jié)構(gòu)。在固定入口體積流率下，強(qiáng)化納米流體冷卻微通道熱沉散熱性能推薦使用更多的流道個(gè)數(shù)和更小的流道占比;而在固定泵功和流動(dòng)壓降時(shí)，更少的流道個(gè)數(shù)和更大的β會(huì)增強(qiáng)納米流體微通道熱沉的散熱性能。納米流體冷卻微通道熱沉換熱

5、性能強(qiáng)化的原因要?dú)w于最佳結(jié)構(gòu)下增大了入口流速和納米流體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，兩方面因素同時(shí)強(qiáng)化了納米流體和熱沉壁面的對(duì)流換熱。
　　當(dāng)芯片設(shè)備發(fā)熱量增加、散熱需求增大或要求更低的工作溫度時(shí)，相變傳熱因其更大的吸熱能力成為電子冷卻的另一重要方法。相變電子冷卻研究主要關(guān)注于如何將熱量從發(fā)熱電子元件中排出，但很少有關(guān)注重點(diǎn)在如何將熱量從兩相冷卻系統(tǒng)中排出。造成這種研究趨勢(shì)的原因是普遍認(rèn)為商業(yè)化的冷凝器能解決相變冷卻系統(tǒng)中的熱量排出問題。而商用

6、換熱器在越來越小的尺寸限制下，無法進(jìn)一步提升其換熱性能，將冷凝器中工質(zhì)熱量有效排出能大幅提升整個(gè)冷卻系統(tǒng)散熱能力。針對(duì)以上問題，本文在微冷凝器提出了創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)微尺度下表面張力作用影響變強(qiáng)的特點(diǎn)，在微冷凝器中加入微肋陣列，利用表面張力作用對(duì)兩相流進(jìn)行相分離，減小影響冷凝的液膜厚度，達(dá)到強(qiáng)化冷凝效果。利用VOF方法，構(gòu)建相分離冷凝微通道的二維模型，對(duì)影響冷凝的因素進(jìn)行深入分析。研究表明微通道內(nèi)氣液兩相經(jīng)過分離后，作為影響冷凝傳熱的主

7、要因素，氣泡與壁面之間存在的液膜厚度顯著減小，相分離后達(dá)到之前的1/20-1/11，從而有效強(qiáng)化微通道冷凝換熱。極小含氣率下同樣有分離效果，需要相分離距離更長(zhǎng)。而極大含氣率下，大氣泡產(chǎn)生的壓力超過微肋間空隙形成的毛細(xì)壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相分離失敗。縮小微肋間空隙可以有效提升毛細(xì)壓上限。進(jìn)一步構(gòu)建相分離冷凝微通道三維模型，深入對(duì)氣泡冷凝速率進(jìn)行了理論分析，得出影響氣泡冷凝換熱的兩個(gè)重要因素冷凝投影比表面積和液膜平均厚度。相分離前后，氣泡周圍液膜

8、厚度大幅減小，達(dá)到相分離之前液膜厚度的1/4左右。冷凝投影比表面積增大了約2倍。綜合兩方面因素，經(jīng)過加入微肋的相分離后，不同工況下氣泡冷凝速率提升了約7-11倍。在相分離結(jié)構(gòu)強(qiáng)化冷凝的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的微肋排列結(jié)構(gòu)的冷凝微通道傳熱性能進(jìn)行研究。不同微肋布置結(jié)構(gòu)下均能到達(dá)氣液分離的效果，分離效果有所不同。微肋兩側(cè)流道距離較小的，分離最快，分離距離最短，適用于含氣率高的兩相流，相分離微肋兩側(cè)產(chǎn)生更高的壓差，能更快的有效分離氣液;而兩側(cè)流道距離