微系统内冷却通道的流动换热特性及影响因素研究

发布时间：2020-06-07 18:12

【摘要】：随着科学技术的发展和现代工业的实际需求,机械和电子器件逐渐向高度集成化、微型化的方向发展,导致微型机械和电子器件在使用过程中,热流密度急剧增大,使得机械和电子元件的温度过高,这极易造成器件的损坏。微通道换热器因为其尺寸微小、单位体积换热面积大和可有效强化传热过程等优势在微机电、微电子系统中得到了广泛应用。而国内外研究表明微通道换热器的结构尺寸是对换热器的换热性能变化的有至关重要的影响因素,因此微通道换热器的结构设计与优化对于提高微通道换热器的换热性能与改善微通道流动特性具有十分重要的现实意义和理论价值。本文采用平直换热微通道作为基本模型,通过数值模拟的方式对换热微通道的换热特性进行研究。在基本模型验证的基础上,改变微通道的入口形状,通过5种不同入口的对比分析,探讨入口形状对换热性能的主要影响因素:在对入口形状的分析之上进行了流道长度对换热性能影响的模拟分析,并提出了折线型流道的结构来取代直流道。结果表明,入口形状对换热性能的影响主要取决于入口形状的水力周长与重心高度。在相同入口流量下,入口水力周长越长,重心高度越低微通道换热性能越好,温度分布越均匀。折线型流道可以有效的优化微通道换热过程中的温度分布,加强了微通道中的换热工质的混合。为进一步提高换热器的性能,本论文提出了双层错列的微通道排布方式,对不同入口速度情况下单层优化微通道的模型与双层错列优化微通道模型进行对比分析,发现双层错列的微通道排布方式可以强化微通道中工质的混合,降低流截面中工质温差。采用双层错列排布方式其芯片平均温度要比单层排布低4℃。
【图文】：

换热模型,微通道

2图 1-1 传统微通道换热模型如图1-1所示为传统微通道换热模型,电子芯片在工作过程中所产生的大量热量通过硅基底传导至道微通道换热通道平面内，换热媒介再将芯片产生的热流由出口带出系统，从而降低电子芯片的温度，，优化电子芯片的温度分布。微通道的结构的构成与常规尺寸换热器不同，由于微通道结构微小，难以加工，因此微通道的加工采用在板层蚀刻，或者激光加工等方法，通过进行板路的堆叠来形成微通道结构，如下图 1-2 所示。图 1-2 微通道结构示意图微型化工艺和高水平冷却通道技术促进和推动了在工业中很多不同地方不同领域的高水平突破研究进展。微芯片在如今高水平科学技术中扮演着一个重要无比的角色，推动了不同领域的精密工作条件，提供了新世纪新技术的科研方向，对现代化科学设备注入了新鲜的血液。由于微芯片的高度集成化和微型化的优点，这让工作中的热流密度快速增大，热稳定性不断下降，不仅会使微型化的工作优势丧失，更容易产生不必要的危险和麻烦。如果想让高热流密度微芯片有正常工作的环境和

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华北电力大学硕士学位论文图 1-1 传统微通道换热模型如图1-1所示为传统微通道换热模型,电子芯片在工作过程中所产生的大量热量通过硅基底传导至道微通道换热通道平面内，换热媒介再将芯片产生的热流由出口带出系统，从而降低电子芯片的温度，优化电子芯片的温度分布。微通道的结构的构成与常规尺寸换热器不同，由于微通道结构微小，难以加工，因此微通道的加工采用在板层蚀刻，或者激光加工等方法，通过进行板路的堆叠来形成微通道结构如下图 1-2 所示。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

【参考文献】