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。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)研究的熱點問題。伴隨著芯片密集度不斷增長，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，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，引入簡化的共軛梯度法，對納米流體冷卻微通道的多個

3、不同幾何變量同時進(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)別于單一變量優(yōu)化，多變量優(yōu)化更能接近全局最優(yōu)值，最大化熱沉散熱性能。對比發(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。針對實際生產(chǎn)中不同的操作條件，進(jìn)一步對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數(shù)和更小的流道占比;而在固定泵功和流動壓降時，更少的流道個數(shù)和更大的β會增強(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)化的原因要歸于最佳結(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)，兩方面因素同時強(qiáng)化了納米流體和熱沉壁面的對流換熱。
　　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，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冷卻系統(tǒng)散熱能力。針對以上問題，本文在微冷凝器提出了創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對微尺度下表面張力作用影響變強(qiáng)的特點，在微冷凝器中加入微肋陣列，利用表面張力作用對兩相流進(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。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，會導(dǎo)致相分離失敗?？s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