高可靠性液冷用微泵的设计及系统研制

发布时间：2020-06-04 16:29

【摘要】：在电子器件热流密度急剧升高的背景下,散热问题已经逐渐成为设备和系统设计的一个重要关注点。由于液冷系统具有较高的散热能力、低温度波动和结构紧凑,液冷系统已经成为取代空冷系统的一个非常有前途的冷却解决方案。微型泵的可靠性至今仍是液冷系统尚未大规模取代空冷系统应用的一个瓶颈。本文参考生物医药领域人工心脏泵的高可靠性轴承设计方案,设计了符合液冷用水力悬浮轴承方案的微型水泵和接触式陶瓷轴承方案,并通过实验来验证设计方案,最后集成应用于高可靠性液冷系统。首先介绍了微泵用水力悬浮轴承的结构和原理,设计了径向水力动压轴承和轴向止推轴承,并进行模拟计算,计算得到液膜动压径向轴承的最大压力为121.24kPa,承载力为12.56N,轴向螺旋槽止推轴承的最大压力为43.89kPa,承载力为2.53N。采用加大流量法和速度系数法设计完成了流量2.63L/min,扬程108kPa,转速为20000rpm的微型离心泵的水力部件。对微泵水力部件进行了CFD仿真分析,叶轮叶顶间隙泄露、涡流损失和蜗壳隔舌处阻塞造成的回流扰动、垂直出口管造成的液流直接撞击出口管壁的损失是微泵的主要水力损失,模拟得到微泵扬程134.5kPa,效率52.8%。加工了微泵的水力部件并组装了微泵的样机,测得微型泵在转速为20000rpm下的流量扬程曲线,在流量2.60L/min时,扬程为109.2kPa,达到了设计要求。接触式陶瓷轴承可靠性测试结果显示,氧化铝和氮化硅陶瓷材料耐磨损性能良好,氧化锆轴承磨损严重,并不适用于水下高速电机工况。经过340天磨损后,3台测试泵水力参数流量和扬程下降25%左右,说明氧化铝和氮化硅在水中的耐磨损性能接近,可以满足微泵大概1年的连续运行需求。搭建了微型泵作为冷板的液冷系统,对微型泵蜗壳的结构进行了修改,使微型泵与热源直接接触,通过泵内部剧烈的湍流来加强换热,整个系统结构更加紧凑。热流量q为83.8 W/cm~2时,热源温度T_h为51.4°C,实验和数值结果表明系统具有良好的散热能力。
【图文】：

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华中科技大学硕士学位论文1 绪论，持续增长的热耗散已经成为电子器件发展中的一个主要制约因素联盟（iNEMI）在 2004 年的技术蓝图[1]中指出，到 2020 年高性能微散热功率和热流密度约达到 360W 和 190W/cm2，如图 1-1 所示。而的存在，高性能处理器芯片的峰值热流会更大，还要避免器件的温这对电子器件的散热提出了很高的挑战。

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华中科技大学硕士学位论文/=AE kS e，为母体参数；A 为常数；E 为激活能，它与材料有关；k 为对温度。从公式可以看出，随着温度的升高，电子器件的失效率空军 1989 年的报告显示由于温度造成的故障占电子器件总故障示。而且，，温度升高会导致电子器件的泄漏功率增加，在高温下功耗的 50%以上[10]。因此可靠的热管理已经成为电子器件设计。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3;TH38

【参考文献】