【摘要】：水冷冷板電子散熱技術(shù)具有散熱性能好、成本適中、基本無噪聲振動(dòng)等特點(diǎn),發(fā)展?jié)摿Υ�。論文以�?56通道超聲相控陣儀器水冷冷板散熱設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬”為題,主要針對(duì)256通道超聲相控陣儀器進(jìn)行熱設(shè)計(jì),為儀器構(gòu)建并研制一體化自循環(huán)水冷冷板散熱系統(tǒng),重點(diǎn)研究其中鰭翅柱順序S狀流道水冷冷板散熱設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證、楔形微槽群棱柱形微冷板研究等內(nèi)容,以提高儀器工作可靠性與穩(wěn)定性,為電子裝備的散熱技術(shù)發(fā)展提供實(shí)踐參考,具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與意義。論文工作得到國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“新型超聲相控陣儀器開發(fā)與應(yīng)用”(NO.2013YQ230575)的資助。論文基于儀器散熱技術(shù)、冷板散熱技術(shù)兩方面評(píng)述論文相關(guān)內(nèi)容的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,指出目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)于單管S形流道與鰭翅柱相組合的經(jīng)典大口徑冷板結(jié)構(gòu)的研究、有關(guān)于經(jīng)典大口徑冷板在實(shí)際商用精密電子儀器上應(yīng)用的研究較少,微槽群微冷板結(jié)構(gòu)特征變化型創(chuàng)新流道研究有待開拓等狀況,提出熱力學(xué)與水力學(xué)性能良好的鰭翅柱順序S狀流道水冷冷板結(jié)構(gòu)與楔形微槽群棱柱形微冷板結(jié)構(gòu),完成主要工作如下:(1)基于水冷冷板散熱系統(tǒng)機(jī)理,為256通道超聲相控陣儀器設(shè)計(jì)并研制一體化自循環(huán)鰭翅柱S狀流道水冷冷板散熱系統(tǒng)。建立熱流固耦合數(shù)值模擬計(jì)算基本數(shù)學(xué)與物理模型,夯實(shí)數(shù)值模擬理論基礎(chǔ);給出冷板性能評(píng)價(jià)模型,為冷板的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與改進(jìn)提供依據(jù)。(2)在相同邊界條件下對(duì)256通道超聲相控陣儀器的順序S狀流道水冷冷板與鰭翅柱順序S狀流道水冷冷板進(jìn)行熱流固耦合數(shù)值模擬性能對(duì)比,探討鰭翅柱結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。結(jié)果表明,相比于順序S狀流道水冷冷板:鰭翅柱順序S狀流道水冷冷板具有更好的熱力學(xué)性能,且熱源熱流密度越大,入水流速越小,其性能優(yōu)勢(shì)越明顯;當(dāng)熱源熱流密度為80W/cm~2,入水流速為5m/s時(shí),鰭翅柱順序S狀流道水冷冷板熱源最大表面平均溫度降低值、最大表面最高溫度降低值、最大表面平均溫度降低比例、最大表面最高溫度降低比例分別可達(dá)21.778℃、25.063℃、21.5551%、22.9138%;鰭翅柱順序S狀流道冷板可以干擾渦流的流線軌跡,旋轉(zhuǎn)流線矢量在鰭翅柱的作用下被阻斷并得到二次發(fā)展,大渦流的形成得到有效遏制,加速了轉(zhuǎn)角后流場(chǎng)的充分發(fā)展,有利于流場(chǎng)流線更為穩(wěn)定有序。(3)對(duì)比與分析微槽群微冷板中單層矩形流道結(jié)構(gòu)、雙層矩形流道結(jié)構(gòu)、寬度收斂型流道結(jié)構(gòu)、楔形流道結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)與水力學(xué)性能,結(jié)果表明:與SL-MCHS相比,Ω=0.6W下PW-MCHS全局熱阻減少比例δ-R_(th Max)=29.0%(純銅基底為36.9%);與DL-MCHS相比,Ω=1.5W下δ-R_(th Max)=24.2%(純銅基底為17.4%);與WT-MCHS相比,Ω=0.3W下δ-R_(th Max)=13.4%(純銅基底為25.2%);所提出的楔形流道結(jié)構(gòu)可使熱流密度為100W/cm~2的熱源表面溫度維持在32.1℃~36.2℃范圍內(nèi),將該楔形流道微槽群棱柱形微冷板應(yīng)用于256通道超聲相控陣儀器散熱設(shè)計(jì)可行且高效。(4)對(duì)鰭翅柱順序S狀流道冷板散熱系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果表明:散熱系統(tǒng)試驗(yàn)值與仿真值最大相對(duì)偏差不超過5%,驗(yàn)證了計(jì)算模型選擇的合理性與有效性;對(duì)于256通道超聲相控陣儀器極限熱流密度36W/cm~2,應(yīng)用該散熱系統(tǒng)時(shí)熱源表面最高溫度低于60℃,可滿足儀器正常工作散熱需求。論文研制的一體化自循環(huán)鰭翅柱順序S狀流道水冷冷板散熱系統(tǒng)已應(yīng)用于商用256通道超聲相控陣儀器當(dāng)中,可有效滿足其散熱需求。
【圖文】：

器上得到實(shí)際應(yīng)用[7]。圖1-1為典型自然對(duì)流散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)通過緊貼于芯片封裝外殼的鰭翅片散熱器直接向空氣傳熱，鰭翅片散熱器形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響整體系統(tǒng)的散熱效率。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究自然對(duì)流散熱系統(tǒng)散熱性能與鰭翅片結(jié)構(gòu)、形狀、間距、尺寸以及基板厚度與材料等特征參數(shù)的關(guān)系，建立鰭翅片散熱器基礎(chǔ)理論模型，使得自然對(duì)流散熱技術(shù)得到廣泛實(shí)際應(yīng)用[8~10 ]。隨著集成電子元器件集成度與產(chǎn)熱的上升，自然對(duì)流散熱技術(shù)已達(dá)到其技術(shù)發(fā)展瓶頸(適用于產(chǎn)熱熱流密度在2W/cm2以內(nèi)的集成電子元器件)。為提高自然對(duì)流散熱技術(shù)的散熱能力，在鰭翅片散熱基板基礎(chǔ)上添加風(fēng)扇從而延伸出強(qiáng)迫對(duì)流散熱技術(shù)。圖1-2為典型強(qiáng)迫對(duì)流散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)扇加大了通過鰭翅片的空氣流量與速率

以內(nèi)的集成電子元器件)。為提高自然對(duì)流散熱技術(shù)的散熱能力，在鰭翅片散熱基板基礎(chǔ)上添加風(fēng)扇從而延伸出強(qiáng)迫對(duì)流散熱技術(shù)。圖1-2為典型強(qiáng)迫對(duì)流散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)扇加大了通過鰭翅片的空氣流量與速率，從而增大鰭翅片與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)，將傳統(tǒng)自然對(duì)流散熱技術(shù)散熱能力提升10倍以上，適用于熱流密度達(dá)10~20W/cm2的集成電子元器件。增大風(fēng)扇功率可有效提升強(qiáng)迫對(duì)流系統(tǒng)的散熱性能，但同時(shí)也增大功耗、噪聲與振動(dòng)，為此研究整體散熱器體積與風(fēng)扇流量限制條件下的系統(tǒng)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)優(yōu)化技術(shù)就顯得非常有意義。D. Sui等(2009)通過實(shí)驗(yàn)證明，在外徑?
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB559

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2641079