【摘要】：隨著當(dāng)今信息的發(fā)展,電子產(chǎn)品已成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪胁豢苫蛉钡妮o助工具,隨著其工作性能的提高以及體積微小型化,其核心部件—CPU(芯片)的發(fā)熱功率由原來的0.05W增長到87W,對其散熱要求也越來越高,在傳統(tǒng)空氣冷卻方式下,已經(jīng)無法滿足高熱負(fù)載的電子產(chǎn)品散熱需求,迫切需要研發(fā)出一種新型高效冷卻熱沉對其進(jìn)行降溫。因此,針對高熱負(fù)載下的小型電子元器件散熱問題,本課題設(shè)計(jì)了一種新型鰭狀結(jié)構(gòu)微小射流熱沉,并對其內(nèi)部流動與傳熱特性展開實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究,具體研究內(nèi)容如下:(1)搭建了新型鰭狀結(jié)構(gòu)微小射流熱沉換熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺,對其內(nèi)部傳熱和流動特性及性能展開實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由新型鰭狀結(jié)構(gòu)微小射流熱沉、風(fēng)機(jī)、恒溫水浴和數(shù)據(jù)采集儀等組成,采用空氣作為冷卻介質(zhì),重點(diǎn)研究了熱沉入口空氣溫度、流量、熱流密度、沖擊高徑比H/D和平均射流雷諾數(shù)Re_(a,j)等參數(shù)對熱沉內(nèi)部流動和傳熱特性及性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:入口溫度對新型鰭狀結(jié)構(gòu)微小射流熱沉傳熱有明顯影響,在射流沖擊高徑比、熱流密度和入口流量等參數(shù)不變的條件下,被冷卻表面平均溫度隨著入口空氣溫度的升高而升高;當(dāng)入口空氣溫度等參數(shù)不變時(shí),熱流密度對被冷卻表面平均溫度有明顯的影響,被冷卻表面平均溫度隨著熱流密度的增大而升高;在入口流量和熱流密度等參數(shù)恒定的條件下,射流高徑比H/D對熱沉流動和傳熱特性及性能有較大的影響,平均努塞爾數(shù)隨射流高徑比的增大而減小,在6≤H/D≤14范圍內(nèi),被冷卻表面的平均溫度隨沖擊高徑比H/D的增大而升高;在熱流密度等參數(shù)不變的工況下,射流雷諾數(shù)對熱沉內(nèi)部流動和換熱及性能產(chǎn)生較大影響,被冷卻表面平均溫度隨著射流雷諾數(shù)的減小而升高,平均努塞爾數(shù)隨著平均射流雷諾數(shù)的減小而減小。(2)對新型鰭狀結(jié)構(gòu)微小射流熱沉內(nèi)部流動和換熱特性及其性能展開數(shù)值研究。建立了幾種結(jié)構(gòu)的新型鰭狀微小射流熱沉的三維物理和數(shù)學(xué)模型,采用有限體積法建立離散方程組,使用SIMPLEC算法對離散方程組進(jìn)行求解。數(shù)值分析了模型結(jié)構(gòu)、射流高徑比、熱流密度和射流雷諾數(shù)對熱沉換熱特性和流動特性及性能的影響。結(jié)果表明:射流雷諾數(shù)對熱沉內(nèi)部流動和換熱特性產(chǎn)生較明顯的影響,隨著射流雷諾數(shù)的增大,被冷卻表面平均溫度逐漸降低,換熱效果明顯提升;在熱負(fù)荷和入口介質(zhì)流量等參數(shù)不變的工況下,發(fā)現(xiàn)有微小通道結(jié)構(gòu)熱沉的被冷卻表面溫度相對較低;當(dāng)射流高徑比等參數(shù)不變時(shí),熱流密度對被冷卻表面平均溫度有較大的影響,被冷卻表面的平均溫度隨熱流密度的增加而升高。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)入口空氣流量_vq為160cm~3/s~260cm~3/s,平均溫度為15℃~26℃,熱流密度q為0.17 W/cm~2~3W/cm~2時(shí),得到系統(tǒng)壓損為200~800Pa;射流換熱系數(shù)為1200~2000 W/m~2·K;被冷卻表面平均溫度_mT為30~70℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值研究結(jié)果的偏差為0.18~5%;通過計(jì)算熱沉的性能發(fā)現(xiàn),肋效率η_f為80%~98%;熱阻R_(hs,cr)為1~3℃/W;傳熱因子j為0.1~0.3。以上數(shù)據(jù)表明新型鰭狀微小射流熱沉相對傳統(tǒng)鰭片式熱沉有明顯的散熱優(yōu)勢。
【圖文】：

6圖 1-2 微尺度液態(tài)流動散熱設(shè)計(jì)與周圍殼體材料之間的熱阻達(dá)到 0.1℃/W（相當(dāng)于結(jié)殼熱阻 的芯片表面，其溫度上升至 50℃。美國一家科研機(jī)構(gòu)針對這尺度液態(tài)流動散熱技術(shù)，其整體散熱設(shè)計(jì)思路如圖 1-2 所示流入集成微通道內(nèi)與被冷卻表面進(jìn)行換熱，再通過內(nèi)部微型程。ooligy 日前在國際研討會（ASymposium On High Performan型處理器的散熱問題，并在 Active Micro-Channel Cooling 的演講，該技術(shù)主要是通過在微型處理器的封裝容器表面上粘Collector”的材料，并在該材料的背表面設(shè)計(jì)了無數(shù)個(gè)突起，ro-Channel”，在 Heat Collector 內(nèi)部的熱量傳遞到突起末端，圍的液體循環(huán)流動并進(jìn)行熱量交換，并將部分熱量帶走散通過在水中添加少量其他物質(zhì)混雜而制成的，但該突起的材

圖 1-3 華為 Mate2 石墨烯+VC 液冷雙重散熱技術(shù)引領(lǐng)著電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)走向高端市場，并且不斷優(yōu)化時(shí)對其散熱要求提高了，不斷驅(qū)動散熱技術(shù)向前發(fā)展，質(zhì)的研發(fā)，都有所新突破。如近期華為公司研發(fā)出的一0，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1-3 所示，由圖可知，芯片散熱裝置板（VC）液冷的雙重散熱方式，從而使整體的散熱能力術(shù)中，，一般使用水作為熱的搬運(yùn)工；在散熱要求較高的卻介質(zhì)與熱源表面進(jìn)行換熱，目前在熱設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域內(nèi)熱的課題之一，小型化電子產(chǎn)品將迎來快速更新?lián)Q代的在性能方面更是高勝一籌，但液冷對換熱系統(tǒng)裝置要求會帶來更多經(jīng)濟(jì)損失。水冷技術(shù)的應(yīng)用如圖 1-4 所示，型水力泵機(jī)對冷卻介質(zhì)做功，將冷卻介質(zhì)輸送到芯片表回到水力泵進(jìn)行動量補(bǔ)償和熱量交換的過程。由圖 1-4（對被冷卻系統(tǒng)進(jìn)行液體冷卻，增大換熱媒介的體積流量
【學(xué)位授予單位】：景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TK124;TN405

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