高热流密度器件水冷散热器结构性能的实验研究

与平行流水冷散热相比,现阶段对喷射流水冷散热的研究报道较少。为了研究喷射流结构的散热效果,本文设计了两种喷射流结构的水冷散热器,搭建了以去离子水为冷却介质的液冷散热器实验台,调节实验的热流密度及冷却水流量在不同条件下观察芯片温度及散热器底板温度的变化,得到了不同热流密度下芯片温度、散热器底板温度及热阻随冷却水流量的变化规律。散热器内部针翅结构和冷却水流动方式的改变可使芯片温度降低5~8℃,散热器底板平均温度也相应降低4℃左右,且底板温度梯度较小。同时,热阻的变化随流量增大逐渐变缓,散热器结构改进使热阻减小了7%~8%。实验结果表明,改进结构的散热器能有效加强边角区域流体的扰动,提升散热器整体的换热效率,表明喷射流水冷散热是一种高效的散热方式。     

CPU芯片水冷散热器的数值模拟与分析

随着CUP芯片的高频高速化以及集成电路的小型化高密度装配,芯片的发热量也不断增大,其散热问题已经变得越来越突出,而水冷技术以其优越的散热效果在大型计算机CPU芯片冷却设备中得到广泛应用。在进行水冷散热器的结构设计时,由于流体流动空间小,运动比较复杂,常用的实验检测方法具有一定局限性。本文通过建立CPU芯片水冷式散热器的翅片式、翅柱式、交叉柱式三种结构的三维物理模型,进行了内部冷却水流动与传热的数值模拟计算和结果的可视化处理,得到了不同内部结构下散热器内冷却水的温度场分布,为散热器结构的优化设计提供了理论依据,并通过比较分析,得出翅柱式结构散热器的散热效果较好。     

高热通量芯片干冰冷却降温性能的理论分析

针对高热通量芯片的冷却散热问题,利用具有巨大升华潜热以及极低初始温度的干冰作为散热流体,通过建立干冰冷却的散热器模型,对散热器散热空间内干冰冷却降温过程的热流场进行模拟仿真,对干冰冷却的芯片降温特性进行分析,得出：干冰入口半径为6 mm,散热器针柱直径为2 mm、11×11均匀分布的散热效果最好。随着干冰流速逐渐增大,芯片温度达到稳定时间越快,流速为0.20 m/s时稳定温度为15.49℃,远低于芯片结温,0.06 m/s的流速即可达到芯片安全温度。干冰流速为0.20 m/s,在10 s时散热空间内已充满干冰,降温效果更好。功率为125 W时,干冰冷却也可将芯片中心测点（A点）温度稳定控制在49.47℃之下。此外,对比分析了P₀=65 W下的水冷式冷却降温与P₀=95 W下的干冰冷却降温性能,得出水冷式冷却稳定后的温度停留在74.2℃,干冰冷却稳定后的温度为15.49℃,干冰冷却降温的芯片整体温度分布更均匀,冷却效果更好。研究结果为进一步深入研究高热通量芯片干冰冷却降温系统打下基础。     

新型热电制冷装置的实验开发

旨在开发一种热电制冷装置(TEC), 实现微电子设备芯片低于环境温度的冷却, 解决芯片超频运行后的散热问题。为了研究该装置的制冷效果, 将其串联在传统液冷散热系统中。通过搭建实验测试平台, 对该装置在不同环境温度、芯片不同热流密度、不同工况和不同制冷效率下的制冷性能进行了实验研究。研究表明, 维持热源表面温度与环境温度相等、TEC工作电压48V、风速3~5m/s的条件下, 散热能力可达7W/cm²。散热器工作在高环境温度(35℃)下, TEC能有效降低散热阻力, 提升最大散热量。当热流密度为23.78W/cm²、风速为5m/s时, TEC工作在16~48V电压值下, 热源表面温度最大降低5.4℃。实验研究同时显示, 传统液体散热系统对提升TEC能效比(COP)有较积极的作用。维持热源表面温度比环境温度高10℃、TEC输入电压4~48V、风速3~5m/s情况下, 最大能效比达3.5, 最大热流密度达到15W/cm²。     

高热流密度电子元件中热管散热技术的进展

散热器的散热性能是影响电子元件使用寿命与安全性的重要因素,热管以其空间尺寸小、冷却能力高、无需消耗动力等优点在高热流密度元件的散热技术领域得到广泛应用.文中总结了热管散热器整体结构设计的创新尤其是热管的不同排布和组合,研究了热管元件性能的提高包括热管内部吸液芯的改进、复杂结构吸液芯的制造,分析了纳米流体工质的引入对换热效果的强化,介绍了散热器热性能分析和参数优化的相关方法.通过分析总结国内外研究成果,提出了新概念热管散热器的结构设计、纳米流体理论模型及复合吸液芯的加工制造等方面的发展趋势与展望.     

铜管铝板复合液冷板在LiFePO4锂离子动力电池模组中的散热特性实验及优化研究

锂离子动力电池液冷热管理系统中，间接液基体系具有更广泛的应用，而其保证温度控制的关键部件是冷却板。本文所设计的铜管/铝板复合液冷板，研究了LiFePO₄锂离子动力电池模组液冷热管理系统的冷却效果。电池分别在3 C、4 C倍率下充放电；选取水作为冷却流体，冷却流体的进出口模式分别为二进二出、四进四出、六进六出模式；冷却流体入口流量分别为2 mL/s、4 mL/s、6 mL/s、8 mL/s、10 mL/s。实验结果表明，四进四出模式下、冷却流体流量为6 mL/s时，该液冷系统实现了在上述不同参数组合下的最优性能。该结果为进一步提高电池热管理系统的性能提供了重要的参考价值。     

水滴型缠绕管换热器壳程流动与传热研究

采用Solid Works建立了水滴型缠绕管式换热器的物理模型,利用Fluent流场模拟软件,考察了不同入口流速下的水滴型管与圆管换热器壳侧流动和传热性能。结果表明:与圆管换热器相比,水滴形管换热器由于换热管截面流线型结构的导流作用,流体在壳程内压力分布更均匀,壳程阻力较小,降低了缠绕管式换热器壳程的压降。水滴形管的阻力系数和压降较圆管大幅度减小,当入口流速为0.4m/s时,水滴形管的努塞尔数是圆管的94.2%,而其阻力系数只有圆管的75%,PEC指数提高了5%,研究工作可为新型换热器的开发与设计提供指导。     

LED路灯塑料散热器结构优化设计

LED是替代传统光源的第四代光源,但是其发光效率很低,发热量很大,所以热分析对大功率LED十分重要。讲述LED路灯散热器的发展现状,并阐述导热塑料的优点及其在LED灯具散热中的应用前景。建立大功率LED路灯散热器的简化有限元模型,并通过热流分析软件Flow-EFD对其进行了热分析,利用正交试验的方法得到散热器结构尺寸对散热性能的影响情况,以及塑料散热器的优化结构。应用此结构可以有效降低LED芯片结温,并具有质量轻、耐腐蚀、绝缘性好等优点,有很广泛的应用前景。     

第三流体在冷却通道内流动换热数值研究

以某液氧煤油火箭发动机冷却系统设计计算为基础,基于计算流体力学(CFD),并采用三维流固耦合算法对以水作为第三流体的冷却循环系统进行了计算和分析。比较了冷却剂入口温度、流量和冷却通道内压力损失等因素对冷却通道内流动换热的影响。结果表明:冷却剂流量增加0.01kg/s,推力室壁面整体温度和喉部温度降低分别降低9K和15K左右,冷却剂出口干度降低0.011左右;当冷却剂流量较低时,入口温度变化对换热效果几乎无影响,而当冷却剂流量较高时,入口温度每增加10K,冷却剂出口干度增加0.009左右;冷却剂流量每增加0.01kg/s会导致冷却通道压力损失增加54kPa左右;入口温度每增加10K,冷却通道压力损失将减少24kPa左右。由此,本文得出冷却剂流量的最佳范围12~14.4kg/s,入口温度的范围为300~350K。     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

单螺旋和双螺旋折流板换热器性能的研究

为了研究双螺旋结构对螺旋折流板换热器性能的影响及其与单螺旋结构的比较,利用热态试验和数值模拟方法,研究了四分之一扇形和三分之一扇形螺旋折流板换热器单、双螺旋结构的壳程传热和阻力性能.热态试验结果表明,单、双螺旋结构的壳程传热系数和压力损失均随流量的增大而提高.在相同流量下,双螺旋结构的壳程传热系数高于单螺旋结构,同时其壳程压力损失也有所增大.但随着流量的增加,双螺旋结构对应的单位压降下的传热性能与单螺旋基本一致.这说明双螺旋结构可以提高壳程传热性能,同时不会影响换热器的综合性能.因此在流体输送动力允许的条件下,双螺旋结构有利于设备处理能力的提高.数值模拟结果表明,由于折流板数量是单螺旋结构的两倍,因此双螺旋结构对壳程流体具有更强的导流作用,流体的分布更加均匀,且呈现出更加强烈的旋转运动.     

入口位置及角度对微通道散热器内流体流动与传热的影响

为进一步提升等截面微通道热沉的散热性能,本文设计了双进口-单出口型微通道热沉,并采用数值模拟的方法研究了入口上侧边布置、左侧边布置以及不同入口角度时去离子水在微通道热沉内的流动和传热特性。结果表明,进出口布置方式对微散热器内各通道流量分配有很大影响,而流量分配直接影响热沉的温度分布。入口上下侧边布置时流体的分布更加均匀,热沉的热阻和泵功较小。入口角度的减小降低了热沉底面温度,并使底面温度更加均匀。当Re=365时,θ=45°的底面最高温度比θ=90°时降低了1.91℃,但泵功却显著增大。     

热电制冷液体冷却散热器的实验研究

旨在开发一种新型热电制冷液体冷却装置,解决微电子设备芯片超频运行后的冷却问题。通过搭建实验测试平台,对该新型冷却装置在不同热通量、不同工况以及热电制冷器(TEC)在不同工作电压下的传热性能进行了实验研究。研究表明,限定热源表面温度(65℃)时,该散热器在实验风速7~13 m·s-1的条件下,最大散热能力可达45.2 W·cm-2,装置最低总热阻为0.107℃·W-1;当热通量为28.5 W·cm-2、风速为9 m·s-1和13 m·s-1时,TEC工作在最佳电压值下,使热源表面温度分别降低4.0℃和4.6℃。实验结果同时表明,新型热电制冷液体冷却装置的制冷性能与TEC工作电压相关,当热通量为28.5 W·cm-2、风速为9 m·s-1和13 m·s-1时,最佳工作电压分别为28 V和32 V。     

第三流体冷却循环参数分析

以采用再生冷却的液氧煤油火箭发动机的相关参数为依据,考虑温度和压力对冷却剂物性的影响、冷却通道内液态冷却剂流动的压力损失和冷却剂在两相区与单相区的传热差别,利用Fortran编程软件调用Nist Refprop数据库的流体物性,对以水为第三流体的第三流体冷却循环进行传热计算,得出冷却通道入口压力在2~8MPa内各个压力下水的流量范围,并且入口压力越高,水流量越小,而在各入口压力和冷却剂流量下火箭发动机壁温和热流密度不仅在喷管喉部出现峰值,在两相区内也会出现峰值。通过对涡轮泵和冷凝器的质量分析以及循环的效率分析,得出循环在最高效率时,冷却通道入口压力最小,冷却剂流量最大;循环的总质量和冷凝器的质量最小时,冷却通道入口压力最大,冷却剂流量最小;第三流体泵的质量最小时,冷却通道入口压力和冷却剂流量最小。     

变截面导流筒换热器入口流场均化性能数值仿真

采用变截面导流筒真实三维实体模型,通过数值模拟的方法,以流体流动均匀性和压降作为综合衡量依据,研究了变截面导流筒装置中关键结构参数的变化对其内部流体流动均匀性和流体流动阻力的影响规律,得出了导流筒的结构参数L,H,θ与壳程进口处流体流动状况的对应关系,证实了在适当范围内调整上述结构参数,不仅可以提高壳程进口处流体流动均匀性,而且可以有效降低壳程流体的压力损失。从导流筒换热器的流体流动均匀性和壳程压降角度出发,推荐L,θ,H的取值范围分别是:L=50~70 mm,θ=7°~12.5°,H=50~100 mm。研究结果为变截面导流筒换热器优化设计提供了参考依据。     

高热流条件下过冷沸腾流动阻力特性试验研究

过冷沸腾在高热流冷却场合得到了广泛的应用,如聚变堆偏滤器冷却、压水堆堆芯冷却。其中,过冷沸腾流动阻力是换热系统设计的关键内容之一。试验研究了高热流条件下竖直通道内水的过冷沸腾流动阻力特性,试验段为内径6 mm、长径比44.4的不锈钢圆管。试验参数范围：热通量7.5~12.5 MW/m²,质量流速6000~10000 kg/(m²?s）,系统压力3~5 MPa,进口流体温度80~200℃。分析了质量流速、热通量、压力、沸腾数、Jacob数等参数对阻力的影响。结果显示,过冷沸腾流动阻力随着热流及质量流速的增加而增加,随压力增加而减小。将试验数据与文献中的经验关联式作对比,结果表明各关联式的预测误差较大,主要归结于拟合参数及工作流体的差异。研究发现管径尺寸效应也是影响阻力的一个因素,为此在前期成果的基础上,提出了一个添加管径因素修正项的经验关联式,该关联式的预测误差在±18%范围内。     

高热流条件下过冷沸腾流动阻力特性试验研究

过冷沸腾在高热流冷却场合得到了广泛的应用,如聚变堆偏滤器冷却、压水堆堆芯冷却。其中,过冷沸腾流动阻力是换热系统设计的关键内容之一。试验研究了高热流条件下竖直通道内水的过冷沸腾流动阻力特性,试验段为内径6 mm、长径比44.4的不锈钢圆管。试验参数范围:热通量7.5～12.5 MW/m~2,质量流速6000～10000kg/(m~2·s),系统压力3～5 MPa,进口流体温度80～200℃。分析了质量流速、热通量、压力、沸腾数、Jacob数等参数对阻力的影响。结果显示,过冷沸腾流动阻力随着热流及质量流速的增加而增加,随压力增加而减小。将试验数据与文献中的经验关联式作对比,结果表明各关联式的预测误差较大,主要归结于拟合参数及工作流体的差异。研究发现管径尺寸效应也是影响阻力的一个因素,为此在前期成果的基础上,提出了一个添加管径因素修正项的经验关联式,该关联式的预测误差在±18%范围内。     

不等径脉动热管的传热性能研究

设计了一套不等径脉动热管,并对其进行了性能测试。脉动热管由内径为2.5 mm和外径为3.0 mm的铜管制成,其中蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为400,360,40 mm。分析比较倾角0°(水平),30°,45°和90°(垂直)对不等径脉动热管的传热性能的影响。丙酮作为不等径脉动热管的工作流体,充液率分别为30%,50%和70%。超纯水作为冷却水,流量分别为0.1,0.3,0.5 m~3/h。实验结果表明:在不同热负荷下充液率、倾角和冷却水流量对装置的传热性能影响很大。最大传热量出现在充液率为50%、倾斜角度为90°、冷却水流量为0.5 m~3/h的情况下,装置的最小热阻为0.10℃/W。     

流延辊出水腔结构优化仿真研究

为了获得高质量的薄膜,需对流延膜的冷却机理、流延辊的工作原理、流延辊内部流道结构等进行研究。对现有单向螺旋流动式流延辊内部冷却水流动情况进行了仿真研究,发现在现有结构条件下流延辊内部有多个影响流动的旋涡区,特别是在流延辊出水腔处有一较大环流流动,严重影响了冷却水快速流动。为了降低流延辊流动阻力,首先提出在出水腔添加导流叶片的初始优化方案,结果表明,在出水腔添加导流叶片的优化方式可有效改善现有流延辊的送水能力;随后对导流叶片进一步优化,采用"扇形"结构的导流叶片,使得优化结果更好。最后"扇形"导流片的优化方案相比于原有结构,其进出口总压损失降低了6.1%,每小时送水量增加了66.3 t。     

热电制冷液体冷却散热器的实验研究

旨在开发一种新型热电制冷液体冷却装置,解决微电子设备芯片超频运行后的冷却问题。通过搭建实验测试平台,对该新型冷却装置在不同热通量、不同工况以及热电制冷器（TEC）在不同工作电压下的传热性能进行了实验研究。研究表明,限定热源表面温度（65℃）时,该散热器在实验风速7～13 m·s^-1的条件下,最大散热能力可达45.2 W·cm^-2,装置最低总热阻为0.107℃·W^-1;当热通量为28.5 W·cm^-2、风速为9 m·s^-1和13 m·s^-1时,TEC工作在最佳电压值下,使热源表面温度分别降低4.0℃和4.6℃。实验结果同时表明,新型热电制冷液体冷却装置的制冷性能与TEC工作电压相关,当热通量为28.5 W·cm^-2、风速为9 m·s^-1和13 m·s^-1时,最佳工作电压分别为28 V和32 V。