电子元器件相变冷却的数值传热研究

随着电子元器件功率的增大,冷却设计对保证电子元器件正常工作起着非常重要的作用.采用相变冷却技术,即将相变材料引入热沉,研究相变材料-热沉系统在凝固过程中的传热规律.研究结果发现,该系统在有翅片的情况下,凝固过程进行得很迅速,即翅片对凝固过程的传热强化作用非常明显;而且自然对流对此系统凝固过程的影响很大;另外,对不同温度下,相变在热沉内的凝固过程进行了研究,发现外部温度越低,凝固时间越短,在不同的温差下,液态相变材料在热沉内部自然对流的情况也有差异.     

高温环境下封装有相变材料的热沉结构优化

高温环境下工作的封装有相变材料的热沉,一方面利用固液相变潜热存储系统吸收电子器件散发的热量,另一方面还要吸收从高温环境传递过来的热量。热沉结构的几何外形是影响上述两个热量传递的关键因素。以热沉总体尺寸、边界条件、热沉和相变材料为约束条件,热沉基部最高温度到达临界温度的最大时间为优化目标,通过数值模拟,获得了热沉翅片高度和宽度、热沉基部宽度和厚度的优化值,优化值兼顾了热沉传热效率和蓄热能力两个方面,并对优化过程中的热沉进行了传热分析。     

固体激光器新型冷却热沉的设计和CFD数值研究

为固体激光器设计了一种新型内部结构扰流柱结构的冷却热沉,采用计算流体力学（CFD）方法对此水冷热沉的三种典型设计方案以及传统的空腔结构和等截面小通道结构热沉分别进行了数值模拟,据此研究了冷却水流量对各种方案的增益介质最高温度、冷却面温度分布以及热沉的压力损失等特性的影响。在相同传热量和相同冷却水流量前提下,等截面小通道热沉和扰流柱热沉的传热特性都明显优于空腔结构热沉。与等截面小通道水冷热沉相比较,扰流柱热沉传热热阻更小,而流动压力损失较大。数值模拟结果表明扰流柱热沉传热性能优于传统的两种热沉（空腔结构和等截面小通道结构）设计方案,具有更好的冷却效果。在较高流量下工作时,扰流柱热沉传热性能略优于等截面小通道热沉,在较低流量下工作时则显著优于等截面小通道热沉。     

铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉散热研究

采用气压浸渗法制备了热导率为850 W ? m-1 ? K-1的铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉,测试了其在自然冷却、强迫风冷和强迫水冷三种冷却模式下的散热效果.结果表明,热源功率越高,铜-硼/金刚石复合材料的散热效果越显著.在强迫水冷模式下,当加热片的输入功率为80 W时,使用铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉时加热片的最高温度比使用铜翅片热沉时低14℃,比使用铝翅片热沉时低23℃.Icepak热模拟发现,在强迫水冷模式下输入功率为80 W时,与铜和铝翅片热沉相比,铜-硼/金刚石复合材料翅片热沉的整体温度更低且温度分布更均匀.研究结果证实,铜-硼/金刚石复合材料是一种高效的散热材料,在大功率电子器件散热中具有广阔的应用前景.     

亚声速切向气流对激光辐照TA15钛合金热响应的影响

利用亚声速气流环境模拟系统, 开展了自然对流及马赫数为0.4和0.8切向气流条件下, 1 064 nm连续激光辐照TA15钛合金材料热响应实验研究, 得到了材料的温度历史曲线数据。通过分析实验结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化时, 切向气流对材料激光辐照过程中以冷却效应为主, 随着气流速度的增加, 冷却效果明显。同时切向气流影响着材料的温度分布, 沿气流流动方向, 气流对下游区域的冷却效果低于上游区域。     

高功率LED热管理方法研究最新进展

LED芯片结温的高低直接影响其出光效率、工作寿命和可靠性。在分析系统各个环节热阻的基础上,详细评述了高功率LED产品从芯片到系统级的热管理研究新动向,包括:自然对流冷却,采用压电风扇、电离方法所进行的强迫空气对流冷却,采用水、液态金属作为冷却工质的液冷方法,采用热管实现的相变冷却,采用热电片进行的固态冷却方案以及利用热电片对余热进行回收利用的热管热回收方案和液体金属冷却方法。并在上述基础上提出了发展更高功率密度LED热管理方法的关键科学问题。     

基于相变材料冷却的光纤包层光滤除器的设计

针对高功率光纤激光器在空间等特殊环境下无水冷却的热管理要求,设计并研制了一种基于相变材料的高功率光纤包层光滤除器。采用正十八烷作为相变材料吸收包层光滤除器的产热,利用Ansys的Fluent模块仿真分析相变材料的相变过程及200 W下滤除器温度分布特性,实验采用0.246kg质量分数为99%的正十八烷对200W级滤除器进行热管理,在室温为25.6℃、滤除的包层光为206 W的情况下,该滤除器可稳定、安全工作360s。实验结果和仿真结果基本吻合。     

浮区中相变对流和毛细对流对分凝过程的影响

本文用“迎风有限元”法研究了在微重力条件下包含热毛细对流、相变对流及热和浓度扩散过程的浮区晶体生长过程,特别是半导体晶体生长的分凝效应。分析了不同典型参数条件下的流场、温度场、浓度场、熔化界面及固化界面形状,着重讨论了不同条件下的分凝过程。结果表明,相变对流对分凝有影响,它使固化界面处的杂质浓度增大。增大晶体的生长速度会使熔区变小,使固化界面变得平坦,使熔化界面变尖凸,使分凝程度增大。     

两相冲击强化换热激光二极管用单片热沉

针对大功率激光二极管(LD)的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,以及场协同理论,研制了一种微通道两相冲击强化相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。实验测试了连续功率LD输出0~100 W时的电-光转换效率以及电流-输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速23 Hz时热沉热阻为0.211℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的取热能力,能够满足大功率LD的散热要求。与改进前的热沉相比,基于场协同理论优化了的两相冲击热沉,热阻明显下降。     

Nd∶GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管(LD)抽运Nd∶GGG(掺钕钆镓石榴石)激光晶体板条,从热传导基本方程出发,以废热等效于内热源模型为前提,利用有限元分析软件ANSYS对Nd∶GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟,分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明:在激光发射阶段,边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度,由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0.2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程,研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。     

坦克高温表面相变红外抑制装置传热分析

为了降低坦克高温表面的红外辐射特性,设计了相变红外抑制装置,建立了传热模型,利用FLUENT软件进行了传热分析,并进行了实验验证,温度计算值与实验值对比,最大相对误差小于6.5%。传热分析结果显示,在坦克导热和太阳辐射等因素的作用下,相变材料发生恒温相变,液相率逐渐变大,红外抑制装置温度较坦克表面温度下降40%;坦克内热源温度的升高、相变材料厚度的减小均可导致相变提前开始、相变持续时间缩短;相变材料熔点温度的下降使相变开始时间提前,同时使红外抑制装置的温度降低。     

A novel hybrid heat sink using phase change materials for transient thermal management of electronics

A hybrid heat sink concept which combines passive and active cooling approaches is proposed. The hybrid heat sink is essentially a plate fin heat sink with the tip immersed in a phase change material (PCM). The exposed area of the fins dissipates heat during periods when high convective cooling is available. When the air cooling is reduced, the heat is absorbed by the PCM. The governing conservation equations are solved using a finite-volume method on orthogonal, rectangular grids. An enthalpy method is used for modeling the melting/re-solidification phenomena. Results from the analysis elucidate the thermal performance of these hybrid heat sinks. The improved performance of the hybrid heat sink compared to a finned heat sink (without a PCM) under identical conditions, is quantified. In order to reduce the computational time and aid in preliminary design, a one-dimensional fin equation is formulated which accounts for the simultaneous convective heat transfer from the finned surface and melting of the PCM at the tip. The influence of the location, amount, and type of PCM, as well as the fin thickness on the thermal performance of the hybrid heat sink is investigated. Simple guidelines are developed for preliminary design of these heat sinks.     

根部开孔对直翅片散热强化的实验研究

根据温度恒定时输入热量与输出热量相等的原理,提出了一种简单方便的测量热沉散热功率的方法,并搭建了实验台。通过测量输入电热丝中的电压、电流以及通电时间即可得到热沉的散热功率,并通过数理分析确定实验测量周期,以保证实验结果误差在5%以内。实验表明在热沉翅片根部开孔可以有效提高热沉散热功率,对测试所用热沉而言最高可提高16.3%。但随着开孔数量的增多,热沉的散热功率先上升达到一个极值后再下降。究其原因在于开孔增多的同时,减少了热沉内部热量自热沉底部向热沉顶部传递的面积,增加了热沉内部的传热阻力。     

弧形微型散热片的流动和换热特性

建立了弧形微槽道散热片的三维稳态模型,对不同雷诺数、不同热流密度的弧形槽道层流的流动和换热特性进行了数值模拟和实验研究,并与换热面积相同的直矩形槽道进行比较。结果表明:弧形槽道散热片相对于直矩形槽道散热片冷却效果更好,并且温度分布更均匀;弧形槽道散热片的换热系数,进出口压降和努赛尔数随着雷诺数的增加而增大。     

LED筒灯复合结构热管散热器的数值模拟

为解决LED筒灯使用单纯自然对流散热扩散热阻过大、温度分布不均的问题,提出一种基于平板热管和热虹吸管的复合结构热管散热器,并用数值模拟的方法研究了热功率、翅片高度、翅片数目、辐射换热对该散热器性能的影响。模拟结果表明应用于LED筒灯的复合结构热管散热器的热阻随着热功率的增加而减小,翅片高度和翅片数目存在一个最优值,使得散热器温度和热阻最小,自然对流情况下不可忽视辐射换热的作用。     

叉指式散热器结构的优化设计

为了解决大功率器件的高热流密度问题,以数值计算的方法研究叉指式散热器内部流体的流动换热特性,验证广义温度梯度均匀化原则是强化对流换热的基本规律。分析钉柱高度、基座高度、钉柱个数和钉柱直径等几何参数对叉指式散热器综合散热性能的影响。采用有约束条件的遗传优化算法,以散热器热阻为目标函数,对散热器几何结构进行多参数优化,得到特定条件下能够强化换热的叉指式散热器较优几何结构。研究为散热器结构的优化设计提供了理论依据和计算数据。     

均匀热源条件下类叶状微通道矩形热沉的构形设计

针对均匀背景热流条件下的散热问题,构建了类叶状微通道矩形热沉模型,基于构形理论,在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下,以热沉最高温度和压降最小化为 目标,以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计.结果表明:通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比,可以降低热沉的最高温度,但是会增大压降损失.     

应用于大功率LED器件的回路热管散热研究

为解决大功率LED的散热问题,提出一种应用于大功率LED散热的微型回路热管,研究了充液率和倾斜角度对热管冷却大功率LED的启动性能、结温和热阻等特性的影响.研究结果表明:热管的最佳充液率为60％,系统的总热阻为7.5 K/W,此时对应的热管的热阻为1.6 K/W;热管的启动时间约为6.5 min,LED的结点温度被控制在42℃以下,很好地满足了大功率LED的结温稳定性要求.     

电子器件散热片换热特性的数值研究

对三种不同截面形状的散热片,在不同风速和相同加热功率下的换热特性进行数值模拟。得到三种散热片的底面芯片最高温度、传热系数以及压降在不同风速下的变化关系。通过对计算结果的分析可知：三种模型的底面芯片最高温度随着风速的增加而下降,传热系数和压降随着风速的增加而增大,这与相关实验数据的变化趋势一致。提高风速可以有效增强换热效果,但是压降的影响不容忽视。对比三种模型,收缩式散热片模型较另外两种模型具有换热效果好、压降小的优点,可为高热流密度的电子设备冷却方案的设计和改进提供参考。