隨著電子元器件集成化的不斷發(fā)展,電子元器件功率密度不斷增加,元器件的熱管理所面臨的問題越來越嚴重。在雷達、激光、數(shù)據(jù)中心等領域,由于在狹小空間內(nèi)存在大量高熱流密度、多熱源器件,傳統(tǒng)的液冷冷板已經(jīng)越來越不能滿足高功率、高集成電子元器件的熱控需求。探求新的熱控方法,以滿足緊湊空間高熱流密度散熱需求,并提高熱控精度、滿足溫度均勻性要求,是當前電子散熱急需解決的關鍵問題。噴霧冷卻由于具有散熱能力強、流量需求小、溫控響應快等優(yōu)點,在高熱流密度熱控方面具有廣闊的潛在應用前景。為了解決緊湊空間的高熱流密度多熱源散熱問題,本文結(jié)合微噴噴霧冷卻高熱流密度技術和液冷冷板結(jié)構特征,提出了一種新型緊湊式微噴冷板,通過性能分析、樣件試制和實驗研究,結(jié)合實際應用前景,對該緊湊式微噴冷板的換熱特性進行了系統(tǒng)研究。本論文首先對液冷冷板的傳熱特性進行了實驗研究,探討了微小通道的不同強化結(jié)構對冷板換熱特性的影響,得出了關鍵參數(shù)的影響規(guī)律。研究果表明,針肋型強化結(jié)構要優(yōu)于直肋型強化結(jié)構,在換熱性能提升了29.4%的同時,發(fā)熱表面的溫度均勻性也有所提高;對于同一類型的強化結(jié)構,其肋型間距越小,換熱效果越好;隨著體積流量的增大,在換熱效果得到提升的同時,也會導致流動阻力的增加,因此,需要根據(jù)實際應用的需求,來確定合適的流量。為了進一步提升液冷冷板的換熱特性,本文提出了一種新型緊湊式微噴冷板以解決高熱流密度多熱源散熱問題,并對微噴嘴的噴霧過程以及微噴冷板的換熱過程進行了仿真分析。對微噴嘴噴霧過程的分析結(jié)果表明,在噴嘴旋流腔張角相同的情況下,噴嘴流量和流阻隨著噴嘴進口壓力的上升而增大,而噴霧張角隨流量的增大先快速增大,隨后基本保持不變;在相同進口壓力下,流量隨噴嘴旋流腔張角的增大而減小而流阻隨旋流腔張角的增大而增大,噴嘴流量與流阻隨噴嘴出口直徑的增加而增大。對緊湊式微噴冷板的仿真結(jié)果顯示,在單個噴嘴流量為5.0 L/h條件下,可以實現(xiàn)300 W/cm2的散熱能力,并且多熱源之間的最大溫差為6.1℃,該分析結(jié)果表明,本文所提出的微噴冷板對高熱流密度多熱源具有良好的熱控效果。在仿真分析的基礎上,本文試制了一種緊湊型微噴冷板樣件并搭建了微噴冷板的實驗系統(tǒng),分別以水和乙二醇冷卻液為工質(zhì),對該緊湊型微噴冷板正常工況及振動工況條件下的換熱特性進行了實驗研究,得出了冷卻曲線及其可控參數(shù)對換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,以水為工質(zhì)的換熱效果比乙二醇的水溶液換熱效果好,并且緊湊型微噴冷板的換熱效果隨著流量的增大而升高,但升高速率逐漸趨緩,而流量的增加意味著泵功的增加,這表明緊湊型微噴冷板在實際應用中通過流量的增加來提高散熱性能存在著一定的局限性;以水作為工質(zhì)的緊湊型微噴冷板的散熱能力超過300 W/ccm2,多熱源間的最大溫差不超過6.5℃,這表明該新型冷板在實現(xiàn)高熱流密度散熱能力的同時,具有良好的溫度均勻性;緊湊型微噴冷板安置方向與重力方向的夾角對散熱特性具有一定的影響,安置方向與重力方向一致時,由于較好的排液導致更好的散熱效果;由于振動對腔內(nèi)液膜的擾動具有一定的強化作用,相比于穩(wěn)態(tài)工況,緊湊型微噴冷板在三軸向振動工況下表現(xiàn)出更好的散熱特性,其中Z方向(重力方向)振動對冷板換熱效果提升的最為明顯。為了進一步降低緊湊型微噴冷板的體積,本文最后提出了采用壓電陶瓷霧化噴嘴的微噴冷板的設計方案,通過壓電陶瓷霧化噴嘴的自身振動產(chǎn)生噴霧效果,并研制了相應的樣件,對其進行了實驗研究。研究結(jié)果表明,在單個壓電霧化噴嘴流量為7mL/min,可以實現(xiàn)熱流密度為189.6 W/cm2的多熱源熱控,且熱源之間的溫差為8.6℃;壓電霧化微噴冷板的換熱效果受流量和噴霧高度的影響,隨著流量的增大,換熱效果升高,且多熱源的溫度均勻性也有所提升,存在一個最佳噴霧高度。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN60
【部分圖文】：

圖１．３典型噴霧冷卻曲線??Ｇｒｉｓｓｏｍ等人１３２】通過對噴霧冷卻換熱機理的研究，認為噴霧冷卻換熱過程三種模式，即干壁模式、液膜覆蓋模式以及萊氏模式。Ｖｏ丨ｋｏｖ等人陽］搭建了冷卻實驗系統(tǒng)，對噴霧冷卻的換熱機理進行了實驗研究。噴霧冷卻的換熱機溫度較低的單相階段和溫度較高的兩相階段有較大不同，占換熱主導地位的模式也不同［３４］。??通過以上對高熱流密度散熱技術的介紹，上述幾種冷卻方式各自有自身的點，適合的冷卻條件和場合也有很大差別。隨著電子元器件的功率密度不斷５??

Ｓｉｌｋ等人［７１＿７６］對噴霧冷卻中發(fā)熱表面的幾何增強做了系統(tǒng)的研究，在一系列??對比實驗中分別使用了直肋、立方針肋、塔肋、凹孔、徑向肋、多孔隧道以及之??間組合的多種表面幾何設計（如圖１．６所示）。在所有的實驗中，系統(tǒng)壓力、噴霧??高度等條件均相同，通過改變表面的幾何結(jié)構或者不同肋片參數(shù)進行對比研究。??對于直肋強化表面，研究了肋片厚度和噴霧與肋片夾角對換熱的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)??薄肋片比厚肋片散熱效果好，而且存在適宜的噴霧和垂直軸線與肋片的夾角。在??對立方針肋的肋寬、肋高以及肋間距的研究中發(fā)現(xiàn)，立方針肋的肋寬與肋間距對??換熱有較大影響，而肋高影響較��；對于多孔隧道增強表面，使用孔徑分別為??０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ，實驗發(fā)現(xiàn)在孔徑〇．５ｍｍ和１．０ｍｍ時換熱效果較平面??顯著提升，多孔隧道和薄直肋換熱效果最好。Ｙａｎｇ等人［７７】和Ｕｌｓｏｎ等人［７８］等人??也分別對塔肋、凹孔、泡沫金屬等不同表面幾何展開了實驗研究。??直肋薄直肋立方針肋塔肋??圍—＿??凹孔徑向肋多孔隧道直鰭??圖１．６幾種幾何表面結(jié)構圖??就目前研宄成果看

研制了兩種不同間距的肋片，其編號分別為樣品１和樣品２，樣品１的每個肋片??的間隔為０．９ｍｍ；樣品２的每個肋片的間隔為０．７ｍｍ。??圖２．１直肋型強化結(jié)構示意圖??如圖２．２所示，為針肋型強化結(jié)構示意圖，針肋的結(jié)構大小為１ｍｍ的等邊??平行四邊形，冷板結(jié)構類似于強化結(jié)構為直肋型的冷板，冷板進出口在兩端，冷??卻工質(zhì)與針肋接觸進行換熱。同樣，為了研宄針肋間距對冷板換熱性能的影響，??也研制了兩種強化結(jié)構為針肋的冷板，其橫向和縱向的針肋間隔不一樣。將針肋??強化結(jié)構的冷板編號分別為樣品３和樣品４，樣品３的縱向每相鄰兩個肋片的間??隔為１ｍｍ，橫向每相鄰兩個肋片的間隔為１．４ｍｍ；樣品４的縱向每相鄰兩個肋??片的間隔為〇．７ｍｍ，橫向每相鄰兩個肋片的間隔為１．４ｍｍ。??暴??圖２．２針肋型強化結(jié)構示意圖??四種冷板的外形結(jié)構尺寸一樣
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本文編號：2894314