256通道超声相控阵仪器水冷冷板散热设计与数值模拟

发布时间：2020-04-26 04:21

【摘要】：水冷冷板电子散热技术具有散热性能好、成本适中、基本无噪声振动等特点,发展潜力大。论文以“256通道超声相控阵仪器水冷冷板散热设计与数值模拟”为题,主要针对256通道超声相控阵仪器进行热设计,为仪器构建并研制一体化自循环水冷冷板散热系统,重点研究其中鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板散热设计、数值模拟与试验验证、楔形微槽群棱柱形微冷板研究等内容,以提高仪器工作可靠性与稳定性,为电子装备的散热技术发展提供实践参考,具有重要的学术价值与意义。论文工作得到国家重大科学仪器设备开发专项“新型超声相控阵仪器开发与应用”(NO.2013YQ230575)的资助。论文基于仪器散热技术、冷板散热技术两方面评述论文相关内容的国内外研究进展,指出目前国内外有关于单管S形流道与鳍翅柱相组合的经典大口径冷板结构的研究、有关于经典大口径冷板在实际商用精密电子仪器上应用的研究较少,微槽群微冷板结构特征变化型创新流道研究有待开拓等状况,提出热力学与水力学性能良好的鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板结构与楔形微槽群棱柱形微冷板结构,完成主要工作如下:(1)基于水冷冷板散热系统机理,为256通道超声相控阵仪器设计并研制一体化自循环鳍翅柱S状流道水冷冷板散热系统。建立热流固耦合数值模拟计算基本数学与物理模型,夯实数值模拟理论基础;给出冷板性能评价模型,为冷板的设计、优化与改进提供依据。(2)在相同边界条件下对256通道超声相控阵仪器的顺序S状流道水冷冷板与鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板进行热流固耦合数值模拟性能对比,探讨鳍翅柱结构的性能特点。结果表明,相比于顺序S状流道水冷冷板:鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板具有更好的热力学性能,且热源热流密度越大,入水流速越小,其性能优势越明显;当热源热流密度为80W/cm~2,入水流速为5m/s时,鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板热源最大表面平均温度降低值、最大表面最高温度降低值、最大表面平均温度降低比例、最大表面最高温度降低比例分别可达21.778℃、25.063℃、21.5551%、22.9138%;鳍翅柱顺序S状流道冷板可以干扰涡流的流线轨迹,旋转流线矢量在鳍翅柱的作用下被阻断并得到二次发展,大涡流的形成得到有效遏制,加速了转角后流场的充分发展,有利于流场流线更为稳定有序。(3)对比与分析微槽群微冷板中单层矩形流道结构、双层矩形流道结构、宽度收敛型流道结构、楔形流道结构的热力学与水力学性能,结果表明:与SL-MCHS相比,Ω=0.6W下PW-MCHS全局热阻减少比例δ-R_(th Max)=29.0%(纯铜基底为36.9%);与DL-MCHS相比,Ω=1.5W下δ-R_(th Max)=24.2%(纯铜基底为17.4%);与WT-MCHS相比,Ω=0.3W下δ-R_(th Max)=13.4%(纯铜基底为25.2%);所提出的楔形流道结构可使热流密度为100W/cm~2的热源表面温度维持在32.1℃~36.2℃范围内,将该楔形流道微槽群棱柱形微冷板应用于256通道超声相控阵仪器散热设计可行且高效。(4)对鳍翅柱顺序S状流道冷板散热系统进行验证试验,结果表明:散热系统试验值与仿真值最大相对偏差不超过5%,验证了计算模型选择的合理性与有效性;对于256通道超声相控阵仪器极限热流密度36W/cm~2,应用该散热系统时热源表面最高温度低于60℃,可满足仪器正常工作散热需求。论文研制的一体化自循环鳍翅柱顺序S状流道水冷冷板散热系统已应用于商用256通道超声相控阵仪器当中,可有效满足其散热需求。
【图文】：

散热系统,自然对流,结构示意图,散热技术

器上得到实际应用[7]。图1-1为典型自然对流散热系统结构示意图，系统通过紧贴于芯片封装外壳的鳍翅片散热器直接向空气传热，鳍翅片散热器形状结构设计直接影响整体系统的散热效率。国内外许多学者致力于研究自然对流散热系统散热性能与鳍翅片结构、形状、间距、尺寸以及基板厚度与材料等特征参数的关系，建立鳍翅片散热器基础理论模型，使得自然对流散热技术得到广泛实际应用[8~10 ]。随着集成电子元器件集成度与产热的上升，自然对流散热技术已达到其技术发展瓶颈(适用于产热热流密度在2W/cm2以内的集成电子元器件)。为提高自然对流散热技术的散热能力，在鳍翅片散热基板基础上添加风扇从而延伸出强迫对流散热技术。图1-2为典型强迫对流散热系统结构示意图，风扇加大了通过鳍翅片的空气流量与速率

强迫对流,散热系统,结构示意图

以内的集成电子元器件)。为提高自然对流散热技术的散热能力，在鳍翅片散热基板基础上添加风扇从而延伸出强迫对流散热技术。图1-2为典型强迫对流散热系统结构示意图，风扇加大了通过鳍翅片的空气流量与速率，从而增大鳍翅片与空气之间的对流换热系数，将传统自然对流散热技术散热能力提升10倍以上，适用于热流密度达10~20W/cm2的集成电子元器件。增大风扇功率可有效提升强迫对流系统的散热性能，但同时也增大功耗、噪声与振动，为此研究整体散热器体积与风扇流量限制条件下的系统流场、温度场与压力场优化技术就显得非常有意义。D. Sui等(2009)通过实验证明，在外径?
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB559

【参考文献】