紧凑型微喷冷板传热特性研究

发布时间：2020-11-22 06:59

　　 随着电子元器件集成化的不断发展,电子元器件功率密度不断增加,元器件的热管理所面临的问题越来越严重。在雷达、激光、数据中心等领域,由于在狭小空间内存在大量高热流密度、多热源器件,传统的液冷冷板已经越来越不能满足高功率、高集成电子元器件的热控需求。探求新的热控方法,以满足紧凑空间高热流密度散热需求,并提高热控精度、满足温度均匀性要求,是当前电子散热急需解决的关键问题。喷雾冷却由于具有散热能力强、流量需求小、温控响应快等优点,在高热流密度热控方面具有广阔的潜在应用前景。为了解决紧凑空间的高热流密度多热源散热问题,本文结合微喷喷雾冷却高热流密度技术和液冷冷板结构特征,提出了一种新型紧凑式微喷冷板,通过性能分析、样件试制和实验研究,结合实际应用前景,对该紧凑式微喷冷板的换热特性进行了系统研究。本论文首先对液冷冷板的传热特性进行了实验研究,探讨了微小通道的不同强化结构对冷板换热特性的影响,得出了关键参数的影响规律。研究果表明,针肋型强化结构要优于直肋型强化结构,在换热性能提升了29.4%的同时,发热表面的温度均匀性也有所提高;对于同一类型的强化结构,其肋型间距越小,换热效果越好;随着体积流量的增大,在换热效果得到提升的同时,也会导致流动阻力的增加,因此,需要根据实际应用的需求,来确定合适的流量。为了进一步提升液冷冷板的换热特性,本文提出了一种新型紧凑式微喷冷板以解决高热流密度多热源散热问题,并对微喷嘴的喷雾过程以及微喷冷板的换热过程进行了仿真分析。对微喷嘴喷雾过程的分析结果表明,在喷嘴旋流腔张角相同的情况下,喷嘴流量和流阻随着喷嘴进口压力的上升而增大,而喷雾张角随流量的增大先快速增大,随后基本保持不变;在相同进口压力下,流量随喷嘴旋流腔张角的增大而减小而流阻随旋流腔张角的增大而增大,喷嘴流量与流阻随喷嘴出口直径的增加而增大。对紧凑式微喷冷板的仿真结果显示,在单个喷嘴流量为5.0 L/h条件下,可以实现300 W/cm2的散热能力,并且多热源之间的最大温差为6.1℃,该分析结果表明,本文所提出的微喷冷板对高热流密度多热源具有良好的热控效果。在仿真分析的基础上,本文试制了一种紧凑型微喷冷板样件并搭建了微喷冷板的实验系统,分别以水和乙二醇冷却液为工质,对该紧凑型微喷冷板正常工况及振动工况条件下的换热特性进行了实验研究,得出了冷却曲线及其可控参数对换热特性的影响规律。研究结果表明,以水为工质的换热效果比乙二醇的水溶液换热效果好,并且紧凑型微喷冷板的换热效果随着流量的增大而升高,但升高速率逐渐趋缓,而流量的增加意味着泵功的增加,这表明紧凑型微喷冷板在实际应用中通过流量的增加来提高散热性能存在着一定的局限性;以水作为工质的紧凑型微喷冷板的散热能力超过300 W/ccm2,多热源间的最大温差不超过6.5℃,这表明该新型冷板在实现高热流密度散热能力的同时,具有良好的温度均匀性;紧凑型微喷冷板安置方向与重力方向的夹角对散热特性具有一定的影响,安置方向与重力方向一致时,由于较好的排液导致更好的散热效果;由于振动对腔内液膜的扰动具有一定的强化作用,相比于稳态工况,紧凑型微喷冷板在三轴向振动工况下表现出更好的散热特性,其中Z方向(重力方向)振动对冷板换热效果提升的最为明显。为了进一步降低紧凑型微喷冷板的体积,本文最后提出了采用压电陶瓷雾化喷嘴的微喷冷板的设计方案,通过压电陶瓷雾化喷嘴的自身振动产生喷雾效果,并研制了相应的样件,对其进行了实验研究。研究结果表明,在单个压电雾化喷嘴流量为7mL/min,可以实现热流密度为189.6 W/cm2的多热源热控,且热源之间的温差为8.6℃;压电雾化微喷冷板的换热效果受流量和喷雾高度的影响,随着流量的增大,换热效果升高,且多热源的温度均匀性也有所提升,存在一个最佳喷雾高度。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN60
【部分图文】：

图１．３典型喷雾冷却曲线??Ｇｒｉｓｓｏｍ等人１３２】通过对喷雾冷却换热机理的研究，认为喷雾冷却换热过程三种模式，即干壁模式、液膜覆盖模式以及莱氏模式。Ｖｏ丨ｋｏｖ等人阳］搭建了冷却实验系统，对喷雾冷却的换热机理进行了实验研究。喷雾冷却的换热机温度较低的单相阶段和温度较高的两相阶段有较大不同，占换热主导地位的模式也不同［３４］。??通过以上对高热流密度散热技术的介绍，上述几种冷却方式各自有自身的点，适合的冷却条件和场合也有很大差别。随着电子元器件的功率密度不断５??

Ｓｉｌｋ等人［７１＿７６］对喷雾冷却中发热表面的几何增强做了系统的研究，在一系列??对比实验中分别使用了直肋、立方针肋、塔肋、凹孔、径向肋、多孔隧道以及之??间组合的多种表面几何设计（如图１．６所示）。在所有的实验中，系统压力、喷雾??高度等条件均相同，通过改变表面的几何结构或者不同肋片参数进行对比研究。??对于直肋强化表面，研究了肋片厚度和喷雾与肋片夹角对换热的影响，结果发现??薄肋片比厚肋片散热效果好，而且存在适宜的喷雾和垂直轴线与肋片的夹角。在??对立方针肋的肋宽、肋高以及肋间距的研究中发现，立方针肋的肋宽与肋间距对??换热有较大影响，而肋高影响较小；对于多孔隧道增强表面，使用孔径分别为??０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ，实验发现在孔径〇．５ｍｍ和１．０ｍｍ时换热效果较平面??显著提升，多孔隧道和薄直肋换热效果最好。Ｙａｎｇ等人［７７】和Ｕｌｓｏｎ等人［７８］等人??也分别对塔肋、凹孔、泡沫金属等不同表面几何展开了实验研究。??直肋薄直肋立方针肋塔肋??圍—＿??凹孔径向肋多孔隧道直鳍??图１．６几种几何表面结构图??就目前研宄成果看

研制了两种不同间距的肋片，其编号分别为样品１和样品２，样品１的每个肋片??的间隔为０．９ｍｍ；样品２的每个肋片的间隔为０．７ｍｍ。??图２．１直肋型强化结构示意图??如图２．２所示，为针肋型强化结构示意图，针肋的结构大小为１ｍｍ的等边??平行四边形，冷板结构类似于强化结构为直肋型的冷板，冷板进出口在两端，冷??却工质与针肋接触进行换热。同样，为了研宄针肋间距对冷板换热性能的影响，??也研制了两种强化结构为针肋的冷板，其横向和纵向的针肋间隔不一样。将针肋??强化结构的冷板编号分别为样品３和样品４，样品３的纵向每相邻两个肋片的间??隔为１ｍｍ，横向每相邻两个肋片的间隔为１．４ｍｍ；样品４的纵向每相邻两个肋??片的间隔为〇．７ｍｍ，横向每相邻两个肋片的间隔为１．４ｍｍ。??暴??图２．２针肋型强化结构示意图??四种冷板的外形结构尺寸一样
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本文编号：2894314