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(duì)于大熱流密度電子器件的散熱有著重要價(jià)值和應(yīng)用前景，但微通道散熱器中工質(zhì)的流動(dòng)、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(jì)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 本文首先對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)特性和傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，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(gè)微通道的沿程阻力和局部阻力等流動(dòng)特性，以及壁面溫度、局部對(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)與傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，首先對(duì)微通道散熱器及樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)了一套散熱器性能測(cè)試系統(tǒng)來對(duì)散熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，完成了性能測(cè)試系統(tǒng)中的模擬熱源的設(shè)計(jì)、儲(chǔ)液罐的設(shè)計(jì)和泵的選型等，最后對(duì)散熱器和性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行加工、組建和調(diào)試。應(yīng)

4、用性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)三個(gè)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(duì)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(cè)，發(fā)現(xiàn)其平均表面溫度

5、低于安全溫度70℃，得到此時(shí)的最大熱流密度約為7．0×105W/㎡。本文還對(duì)三個(gè)散熱器的散熱性能進(jìn)行了綜合分析，并同時(shí)考慮進(jìn)出口壓差和表面最大溫度的制約，得到了各個(gè)散熱器在最佳性能時(shí)的流量。 本文還采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)三個(gè)散熱器內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)和傳熱細(xì)節(jié)進(jìn)行了模擬，對(duì)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