用于高热流密度大功率散热的复合液体冷却技术研究

发布时间：2020-10-22 12:21

　　 伴随着各类有效载荷的小型化、轻量化发展趋势,各类光/电子器件向着更高集成度、更大功率方向发展,对热控系统带来更严苛的散热需求。各类液体冷却技术如微通道冷却、射流冲击冷却等具有集成度好、传热效率高的优势,但在应用于大尺寸热源冷却时,采用单相及两相传热均会面临新的挑战,如受限空间内流动沸腾不稳定性、面温度不均匀性增加及大流量导致的总阻力损失过大等问题。本文主要针对十瓦每平方厘米至百瓦每平方厘米级、总发热功率千瓦级的“高热流密度、大功率”散热需求和液体冷却技术遇到的问题,开展相关的设计与实验研究。借鉴轴向槽道热管结构良好的气、液分离工作特性,提出并研制了一种带蒸汽腔的Ω型复合微小通道热沉,用以解决大面积、高热流密度能量收集时,由于通道内部乏汽排除不畅产生“气塞”和“返流”现象,进而导致流动沸腾不稳定性、传热恶化的问题。Ω型微小通道热沉底板包含20个Ω形平行通道作为液体流道,肋顶端与盖板下表面之间连通的空腔作为两相传热时的气体流道,并以石英玻璃作为可视化盖板材料。基于闭式泵流体回路,搭建了热沉性能初始测试平台,分别测试了无水乙醇、HFE 7100电子氟化液为工质时的流动及传热特性。实验结果表明:1)随着加热热流密度的逐步增加,热沉与流体之间的流动及传热状态,依次由单相强迫对流经核态沸腾并最终达到过渡沸腾状态,成功实现了高热流密度工况时气、液工质分区域流动。2)使用无水乙醇为工质时,当工质流量最小为5.48mL/s时,有效加热热流密度最高为30.3W/cm~2(总加热功率762.3W),此时获得的最大传热系数为9494W/(m~2·K)。根据“场协同理论”中关于速度梯度方向和热流方向协同性越好,则对流传热强度越高的理论,为进一步优化传统微通道冷却技术的散热性能,结合多孔介质结构促进两相对流传热,设计了复合光滑/粗糙肋化受冲击表面结构的分布式复合射流冷却热沉(SL1~3)。使用ANSYS FLUENT软件对热沉整流区、分布式射流孔板等进行了校核数值计算。研制可视化射流冷却测试件,并搭建高速显微摄像平台,验证了上述受冲击表面强化结构对促进相变的发生、提高临界热流密度等方面的有效性。针对可用于30×30mm~2热源散热的三种复合不同表面结构的分布式复合阵列射流冷却热沉(平板表面SL1、光滑针肋表面SL2、外覆烧结多孔层(120~150μm)的粗糙针肋表面SL3),测试了低雷诺数条件下(Re1200),不同入口工质流量、入口过冷度及安装倾斜角对热沉性能的影响,并得到了考虑入口过冷度时各热沉的传热性能半经验计算公式,对应的平均绝对误差6.0%。以无水乙醇为工质的四种可视化射流冷却测试件(KS1~4),固定工质入口过冷度60±1K,可视化实验结果显示:当有效加热热流密度固定为82.5±2.5 W/cm~2、工质流量范围1.0~7.5(±0.5)mL/s时,随着工质流量逐渐降低时,采用肋化结构的测试件KS2~4均可明显的观测到,随着射流腔内部的工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,工质与壁面间的传热由单相强迫对流发展为核态沸腾及膜态沸腾,即两类肋化表面均可有效促进相变的发生。针对三种(SL1~3)分布式复合阵列射流冷却热沉的相关性能测试结果表明:1)使用无水乙醇为工质,增加工质流量均可有效的降低壁面过热度、提高临界热流密度、增加单相对流传热系数,但在两相区会小幅度的增加温度不均匀性,且会增加热沉的阻力损失。2)增大入口过冷度可以小幅度的增加临界热流密度CHF,但对应的传热系数会下降,同时对温度均匀性影响不大。3)与水平安装相比,竖直安装时热沉临界热流密度和传热系数会出现小幅度衰减,但总体上热沉性能受工质流量的影响更大。4)根据压降振荡幅频特性的差异,可将固定入口条件、逐步增加加热热流密度时的整个运行过程划分为Part1~4四个区域,作为系统内部传热模式的辅助判据,各区域分别对应单相强迫对流传热、稳定核态沸腾、过渡沸腾及饱和沸腾。5)综合对比所有实验结果,采用光滑针肋表面的分布式复合射流冷却热沉SL2水平正向安装,在工质入口过冷度60K、工质流量10.2mL/s时,获得的全局最大临界热流密度CHF_(max)为160W/cm~2(总有效加热功率1440W),此时换热系数h为17921W/(m~2·K);在工质入口过冷度为50K、工质流量为12.7mL/s时,全局的最大传热系数?为18341W/(m~2·K),此时有效加热热流密度为140W/cm~2。与前述优化后的微通道冷却热沉相比,复合射流冷却热沉具有更优的传热性能。6)建立了包含过冷度影响的核态沸腾传热系数模型,具有更好的普适性,同时针对前人基于单孔射流的CHF关联式进行进一步优化,明确射流速度、射流孔径和工质流量对热沉性能影响的相互作用。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB66
【部分图文】：

1.1 Summary of the high flux and high power heat dissipatio 几何尺寸 散热热流密度 散热功率 晶体 φ15~φ50mm 50~300W/cm2120~3700W 40mm×40mm 50~150W/cm2500~800W 片 1/8~1in >500 W/cm250~200W 为三类典型高功率密度器件的散热指标需求。从应用的角为了保证各器件、部组件的稳定运行，提高其工作可靠性求、设备功耗和结构差异，针对性的散热设计非常必要。器平台尺寸的限制，其相应散热装置应尽可能的占用更少功耗。而这其中的一大核心关键技术，即可用于解决同时率密度”散热需求的“高热流密度散热技术”，是先进热之一。计的核心是通过合理的散热系统设计，将发热热源产生的过有效的传输路径传递至冷源侧，并最终排散至大气/空间不同的热特性需求：发热功率、热流密度、温度限制等条源和冷源间相对位置等空间条件限制，对整个能量收集、整合优化，各类传热方式对应的传热系数分布规律如图

第 1 章 引言为应用于国际 Alpha 磁谱仪 AMS-02 内部追踪器的热回路，提供天体粒子探测器的平稳、精确温度控制。共有 8 层 200 多个硅微条探测器及电子线路板，硅微板总发热量 144W，需将该部分能量输运至载荷外部板的辐射作用排向深冷空间。硅微条控温要求在 10~大于 1℃，各电子线路板间温差在 10℃之间[35, 36]。

用于高热流密度散热的复合射流冷却技术研究ry-Large-Scale Integrated Circuit，VLSI Circuit）度均增加的散热难题。传统的强制风冷的散约 50℃/W）的问题，且针对高集成度场景带来较小。针对当时的难题，其设计了一种基于液过将热沉通道一体化并耦合硅片基板，大幅度寸 1 cm2，通道尺寸 Ww=Wc= 57μm、Z= 36流密度 790W/cm2热流密度下，热阻仅为 0.09
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本文编号：2851591