伴隨著各類有效載荷的小型化、輕量化發(fā)展趨勢(shì),各類光/電子器件向著更高集成度、更大功率方向發(fā)展,對(duì)熱控系統(tǒng)帶來更嚴(yán)苛的散熱需求。各類液體冷卻技術(shù)如微通道冷卻、射流沖擊冷卻等具有集成度好、傳熱效率高的優(yōu)勢(shì),但在應(yīng)用于大尺寸熱源冷卻時(shí),采用單相及兩相傳熱均會(huì)面臨新的挑戰(zhàn),如受限空間內(nèi)流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性、面溫度不均勻性增加及大流量導(dǎo)致的總阻力損失過大等問題。本文主要針對(duì)十瓦每平方厘米至百瓦每平方厘米級(jí)、總發(fā)熱功率千瓦級(jí)的“高熱流密度、大功率”散熱需求和液體冷卻技術(shù)遇到的問題,開展相關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究。借鑒軸向槽道熱管結(jié)構(gòu)良好的氣、液分離工作特性,提出并研制了一種帶蒸汽腔的Ω型復(fù)合微小通道熱沉,用以解決大面積、高熱流密度能量收集時(shí),由于通道內(nèi)部乏汽排除不暢產(chǎn)生“氣塞”和“返流”現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性、傳熱惡化的問題。Ω型微小通道熱沉底板包含20個(gè)Ω形平行通道作為液體流道,肋頂端與蓋板下表面之間連通的空腔作為兩相傳熱時(shí)的氣體流道,并以石英玻璃作為可視化蓋板材料。基于閉式泵流體回路,搭建了熱沉性能初始測(cè)試平臺(tái),分別測(cè)試了無水乙醇、HFE 7100電子氟化液為工質(zhì)時(shí)的流動(dòng)及傳熱特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)隨著加熱熱流密度的逐步增加,熱沉與流體之間的流動(dòng)及傳熱狀態(tài),依次由單相強(qiáng)迫對(duì)流經(jīng)核態(tài)沸騰并最終達(dá)到過渡沸騰狀態(tài),成功實(shí)現(xiàn)了高熱流密度工況時(shí)氣、液工質(zhì)分區(qū)域流動(dòng)。2)使用無水乙醇為工質(zhì)時(shí),當(dāng)工質(zhì)流量最小為5.48mL/s時(shí),有效加熱熱流密度最高為30.3W/cm~2(總加熱功率762.3W),此時(shí)獲得的最大傳熱系數(shù)為9494W/(m~2·K)。根據(jù)“場(chǎng)協(xié)同理論”中關(guān)于速度梯度方向和熱流方向協(xié)同性越好,則對(duì)流傳熱強(qiáng)度越高的理論,為進(jìn)一步優(yōu)化傳統(tǒng)微通道冷卻技術(shù)的散熱性能,結(jié)合多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)促進(jìn)兩相對(duì)流傳熱,設(shè)計(jì)了復(fù)合光滑/粗糙肋化受沖擊表面結(jié)構(gòu)的分布式復(fù)合射流冷卻熱沉(SL1~3)。使用ANSYS FLUENT軟件對(duì)熱沉整流區(qū)、分布式射流孔板等進(jìn)行了校核數(shù)值計(jì)算。研制可視化射流冷卻測(cè)試件,并搭建高速顯微攝像平臺(tái),驗(yàn)證了上述受沖擊表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)促進(jìn)相變的發(fā)生、提高臨界熱流密度等方面的有效性。針對(duì)可用于30×30mm~2熱源散熱的三種復(fù)合不同表面結(jié)構(gòu)的分布式復(fù)合陣列射流冷卻熱沉(平板表面SL1、光滑針肋表面SL2、外覆燒結(jié)多孔層(120~150μm)的粗糙針肋表面SL3),測(cè)試了低雷諾數(shù)條件下(Re1200),不同入口工質(zhì)流量、入口過冷度及安裝傾斜角對(duì)熱沉性能的影響,并得到了考慮入口過冷度時(shí)各熱沉的傳熱性能半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,對(duì)應(yīng)的平均絕對(duì)誤差6.0%。以無水乙醇為工質(zhì)的四種可視化射流冷卻測(cè)試件(KS1~4),固定工質(zhì)入口過冷度60±1K,可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)有效加熱熱流密度固定為82.5±2.5 W/cm~2、工質(zhì)流量范圍1.0~7.5(±0.5)mL/s時(shí),隨著工質(zhì)流量逐漸降低時(shí),采用肋化結(jié)構(gòu)的測(cè)試件KS2~4均可明顯的觀測(cè)到,隨著射流腔內(nèi)部的工質(zhì)由分層湍流逐步進(jìn)入泡狀流、彈狀流及環(huán)狀流,工質(zhì)與壁面間的傳熱由單相強(qiáng)迫對(duì)流發(fā)展為核態(tài)沸騰及膜態(tài)沸騰,即兩類肋化表面均可有效促進(jìn)相變的發(fā)生。針對(duì)三種(SL1~3)分布式復(fù)合陣列射流冷卻熱沉的相關(guān)性能測(cè)試結(jié)果表明:1)使用無水乙醇為工質(zhì),增加工質(zhì)流量均可有效的降低壁面過熱度、提高臨界熱流密度、增加單相對(duì)流傳熱系數(shù),但在兩相區(qū)會(huì)小幅度的增加溫度不均勻性,且會(huì)增加熱沉的阻力損失。2)增大入口過冷度可以小幅度的增加臨界熱流密度CHF,但對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)會(huì)下降,同時(shí)對(duì)溫度均勻性影響不大。3)與水平安裝相比,豎直安裝時(shí)熱沉臨界熱流密度和傳熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)小幅度衰減,但總體上熱沉性能受工質(zhì)流量的影響更大。4)根據(jù)壓降振蕩幅頻特性的差異,可將固定入口條件、逐步增加加熱熱流密度時(shí)的整個(gè)運(yùn)行過程劃分為Part1~4四個(gè)區(qū)域,作為系統(tǒng)內(nèi)部傳熱模式的輔助判據(jù),各區(qū)域分別對(duì)應(yīng)單相強(qiáng)迫對(duì)流傳熱、穩(wěn)定核態(tài)沸騰、過渡沸騰及飽和沸騰。5)綜合對(duì)比所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用光滑針肋表面的分布式復(fù)合射流冷卻熱沉SL2水平正向安裝,在工質(zhì)入口過冷度60K、工質(zhì)流量10.2mL/s時(shí),獲得的全局最大臨界熱流密度CHF_(max)為160W/cm~2(總有效加熱功率1440W),此時(shí)換熱系數(shù)h為17921W/(m~2·K);在工質(zhì)入口過冷度為50K、工質(zhì)流量為12.7mL/s時(shí),全局的最大傳熱系數(shù)?為18341W/(m~2·K),此時(shí)有效加熱熱流密度為140W/cm~2。與前述優(yōu)化后的微通道冷卻熱沉相比,復(fù)合射流冷卻熱沉具有更優(yōu)的傳熱性能。6)建立了包含過冷度影響的核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)模型,具有更好的普適性,同時(shí)針對(duì)前人基于單孔射流的CHF關(guān)聯(lián)式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,明確射流速度、射流孔徑和工質(zhì)流量對(duì)熱沉性能影響的相互作用。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB66
【部分圖文】：

1.1 Summary of the high flux and high power heat dissipatio 幾何尺寸 散熱熱流密度 散熱功率 晶體 φ15~φ50mm 50~300W/cm2120~3700W 40mm×40mm 50~150W/cm2500~800W 片 1/8~1in >500 W/cm250~200W 為三類典型高功率密度器件的散熱指標(biāo)需求。從應(yīng)用的角為了保證各器件、部組件的穩(wěn)定運(yùn)行，提高其工作可靠性求、設(shè)備功耗和結(jié)構(gòu)差異，針對(duì)性的散熱設(shè)計(jì)非常必要。器平臺(tái)尺寸的限制，其相應(yīng)散熱裝置應(yīng)盡可能的占用更少功耗。而這其中的一大核心關(guān)鍵技術(shù)，即可用于解決同時(shí)率密度”散熱需求的“高熱流密度散熱技術(shù)”，是先進(jìn)熱之一。計(jì)的核心是通過合理的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將發(fā)熱熱源產(chǎn)生的過有效的傳輸路徑傳遞至冷源側(cè)，并最終排散至大氣/空間不同的熱特性需求：發(fā)熱功率、熱流密度、溫度限制等條源和冷源間相對(duì)位置等空間條件限制，對(duì)整個(gè)能量收集、整合優(yōu)化，各類傳熱方式對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)分布規(guī)律如圖

第 1 章 引言為應(yīng)用于國際 Alpha 磁譜儀 AMS-02 內(nèi)部追蹤器的熱回路，提供天體粒子探測(cè)器的平穩(wěn)、精確溫度控制。共有 8 層 200 多個(gè)硅微條探測(cè)器及電子線路板，硅微板總發(fā)熱量 144W，需將該部分能量輸運(yùn)至載荷外部板的輻射作用排向深冷空間。硅微條控溫要求在 10~大于 1℃，各電子線路板間溫差在 10℃之間[35, 36]。

用于高熱流密度散熱的復(fù)合射流冷卻技術(shù)研究ry-Large-Scale Integrated Circuit，VLSI Circuit）度均增加的散熱難題。傳統(tǒng)的強(qiáng)制風(fēng)冷的散約 50℃/W）的問題，且針對(duì)高集成度場(chǎng)景帶來較小。針對(duì)當(dāng)時(shí)的難題，其設(shè)計(jì)了一種基于液過將熱沉通道一體化并耦合硅片基板，大幅度寸 1 cm2，通道尺寸 Ww=Wc= 57μm、Z= 36流密度 790W/cm2熱流密度下，熱阻僅為 0.09
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本文編號(hào)：2851591