Optimization of Heat-Sink Cooling Structure in EAST with Hydraulic Expansion Technique

Considering utilization of the original chromium-bronze material, two processing techniques including hydraulic expansion and high temperature vacuum welding were proposed for the optimization of heat-sink structure in EAST. The heat transfer performance of heat-sink with or without cooling tube was calculated and different types of connection between tube and heat-sink were compared by conducting a special test. It is shown from numerical analysis that the diameter of heat-sink channel can be reduced from 12 mm to 10 mm. Compared with the original sample, the thermal contact resistance between tube and heat-sink for welding sample can reduce the heat transfer performance by 10%, while by 20% for the hydraulic expansion sample. However, the welding technique is more complicated and expensive than hydraulic expansion technique. Both the processing technique and the heat transfer performance of heat-sink prototype should be further considered for the optimization of heat-sink structure in EAST.

新能源汽车电池用散热装置创新设计

本文设计了新能源汽车电池用散热装置,包括安装板,安装板上开设有若干散热孔,对应各所述散热孔设置有散热扇安装座,散热扇对应于散热孔安装在散热安装座上;散热安装座包含两组对称设置在散热孔两侧的插拔基座,两组插板基座之间形成插拔槽,散热扇的两个对立侧壁分别沿平行于安装板板面的方向活动插拔设置在两个所述插拔基座上,插拔基座上包含有快拆结构,快拆结构限位散热扇在插拔滑动方向上的位移,便于散热装置的拆卸,提高了维修的效率。

增材制造技术在散热器件研制中的应用与最新进展

5G技术的普及以及高性能算力系统的快速发展,导致电子器件的功率不断增加,因此对散热器件的性能提出更高要求。优化散热器件的结构是提高散热性能的重要途径之一。然而,传统制造工艺在处理复杂结构时存在一定的局限性,限制了对更高性能散热器件的探索。增材制造技术采用逐层累加的方式,可制备出具有复杂内部几何形状的结构,从而制造出更高性能的散热器件。本文对增材制造技术在散热器件领域的研究进展进行了综述。首先,介绍了增材制造技术的常用方法和基础材料;其次,综述了利用增材制造技术研发微流道散热器、热管/均热板、热沉以及其他散热器的最新进展;最后,归纳了散热结构的优化设计方法。本文着眼于利用增材制造技术制备具有优化结构的散热器件,为应对电子器件、航空航天、 5G通讯、移动设备、汽车、相控雷达、柔性穿戴等领域日益增长的散热需求提供了有益的参考。

叠层交错凹穴微通道热沉内流动与传热特性

为改善日益呈现微型化和高功率化的微化工器件的散热性能,提出一种叠层交错凹穴微通道热沉。运用数值模拟方法研究该微通道热沉内流动和传热特性,考查扩缩比φ和高度比β对热性能的影响,并与直微通道热沉和单层三角形凹穴微通道热沉分别进行对比,评估其综合性能C_(PE)。结果表明:具有叠层交错凹穴的微通道热沉的努塞尔数Nu和摩擦因数f分别比单层三角形凹穴微通道高10.1%—34.4%和5.9%—28.7%。Nu、f、C_(PE)均随φ的增大而减小。当固定φ值且β=0.5时,Nu、f、C_(PE)在相应雷诺数Re下达到最大值。在相同Re条件下,β在0.25—0.75内的变化不会引起流动阻力的显著波动。叠层交错凹穴微通道热沉可以加强流体的混合,中断热边界层的再发展,具有强化传热作用。

不锈钢板热沉焊接及充压胀形加工过程应力变形数值分析

【目的】在不锈钢热沉的加工过程中,激光焊接和充压胀形是其中的关键工艺,这两种工艺的加工质量将直接影响到不锈钢热沉的成形和使用性能。因此,对不锈钢热沉的焊接工艺和充压胀形工艺进行了研究,以保证热沉加工工艺的可靠性。【方法】通过有限元仿真模拟的手段,分析了不锈钢板热沉不同焊接顺序下的应力变形。以焊后状态为初始条件进行了对应顺序下充压胀形过程的应力变形仿真模拟。【结果】结果表明,采用焊接顺序二,即按照先进行不锈钢板内部圆形焊道的焊接,再进行外围长直边焊道的焊接,其中内部圆形焊道采用沿矩形板的长边方向依次焊接的焊接顺序,可有效控制焊接过程的应力变形,使不锈钢板工件在较高的充压载荷条件下仍能保持较小的变形。【结论】得到了最优的焊接顺序和充压胀形工艺规范,可为航天器不锈钢板热沉的研制和生产制造提供理论指导。

不锈钢板式热沉传热特性的实验与模拟研究

目的 研究流量、胀高及焊点排布方式对不锈钢板式热沉传热特性的影响。方法 搭建实验平台,加工出结构参数不同的板式热沉实验件,同时采用静力隐式算法建立相应的几何模型,通过实验与数值模拟相结合的方法,研究流量、胀高和焊点排布方式的变化对板式热沉热阻的影响规律,并分析热沉流道内部流场状态。结果 首先计算了6个工况下的热阻,发现实际换热量为540 W时,数值模拟与实验结果的最大相对误差不大于25%。然后分析了误差来源,最后得到了热沉全流道速度场与温度场的分布情况。结论 实验与模拟结果有较好的符合程度,证明了数值模拟方法的可靠性。在换热量相同时,板式热沉的热阻随流量与胀高的增大而减小,焊点为菱形排布的热沉传热性能相对更好。板式热沉内部的流场具有周期性,焊点使流体扰动增强,并形成射流和旋涡,起到了强化传热的效果。

基于干冰微粒喷射冷却的高速列车IGBT散热器设计

针对高速列车IGBT模块的高效散热问题,设计了一种应用于干冰微粒喷射冷却的针肋散热器。建立了3组不同针肋参数模型,通过数值模拟研究分析了针肋数量、直径、高度对散热效果的影响,得出最优针肋散热器的针肋数量为64、直径为12 mm、高度为45 mm,相比于无肋散热器其换热基板表面温度降低了10.57℃,散热器内部干冰升华率提高了17.2%。通过实验观测到了干冰微粒冷却流体在管内流动状态以及干冰微粒在散热器内部扰动碰撞过程,验证了模拟结果,干冰微粒喷射冷却使热源功率为1.6 kW的IGBT模块保持在约25℃,满足其散热需要,为深入研究干冰微粒喷射冷却技术提供指导。

电子芯片弹热制冷式热控系统的数值模拟

电子行业的迅猛发展使电子设备的热流密度急剧攀升。高效的散热方法,能够显著降低设备的工作温度,提升其性能并延长使用寿命。为进一步降低芯片的最高使用温度,提出一种基于形状记忆合金(SMA)弹热效应的电子芯片热控方法,即将卸载过程中产生的冷能通过流体介质输送至具有良好散热性能的电子芯片微通道散热器热控系统中。利用FLUENT软件,分析三维条件下系统的传热特性。结果表明:冷却后的传热流体进一步降低芯片的最高温度达5.5 K,微通道散热器性能提高约10.7%。经参数分析发现,提高制冷系统的循环频率和冷却液体积流量可以显著提高其制冷能力,循环频率为0.25 Hz和0.33 Hz时分别可提高68%和92%。

试剂仓半导体制冷模组热端散热器的仿真研究

半导体制冷模组热端散热器的散热性能将直接影响其制冷效率,因此在半导体制冷模组实际工作中,半导体制冷模组的高效工作离不开有效的散热方式。针对这一问题,根据实际构建三维模型,利用COMSOL■Multiphysics■软件模拟仿真计算,对热端的翅片式散热器进行了一系列研究。对仿真结果进行对比分析和讨论,分别探究了散热器风速大小、材料以及翅片参数对散热器散热性能的影响。结果表明:随着风速增大,热端温度不断降低;由于传热系数、比热容和密度等物性参数的不同,相同结构下不同材料的散热器散热性能存在较大差异;翅片参数的改变将改变对流传热过程从而影响散热器散热性能,合理减小翅片高度和翅片厚度在提升散热器经济性的同时并不会显著降低其散热性能。研究结果提高了翅片式散热器的散热性能和经济性,进而提高半导体制冷模组的制冷性能,为实际工程的应用提供了借鉴和参考。

微通道内单一/混合流体强化传热研究进展

介绍了近年来微通道换热器内冷却介质强化换热的研究进展。阐述了纳米流体、液态金属以及潜热型功能热流体强化传热的机理;探讨了影响纳米流体传热性能的因素,包括纳米颗粒的种类、体积分数和温度等;讨论了增大液态金属传热系数的方法;分析了微胶囊壁材、相变材料和微胶囊的质量分数等对潜热型功能热流体热容的影响。指出了3种冷却介质目前尚存在的缺陷及相应的改善措施,对高热流密度设备散热问题中冷却介质的选取具有一定的指导意义。

CVD金刚石材料发展现状分析

金刚石除具有宝石属性外,还是一种集声、光、热、力、电、量子等众多优异性能于一身的多功能超极限材料,被赋予“钻石恒久远”“工业的牙齿”“终极半导体”等众多美誉,有着很高的商业价值、工业价值和科研价值。化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)技术的发展,极大地拓展了金刚石材料的应用领域,为激活金刚石的各项终极潜能提供了基础。近年来,大尺寸、高质量、低成本、多样式的CVD金刚石材料不断被开发,终端应用场景已经从早期的工具级逐渐拓展至装饰、热学、光学,甚至半导体等高端领域,并且呈小幅井喷的态势。围绕CVD金刚石材料的研究与应用现状展开梳理,介绍CVD金刚石生长技术、应用领域和前沿研究进展,并对未来金刚石材料的发展趋势进行展望。

空间环境控温热沉结构优化试验

以板式热沉为试验对象,完成了板式热沉的测温试验以及板式热沉与笼式热沉的数值研究。数值计算考虑管网内部气体介质为高雷诺数湍流流动,采用标准k-ε涡粘模型,将数值计算与试验结果对比以验证其可信度。结果表明:额定工况点板式沿程压力损失约为50865Pa,笼式热沉压力损失约为80692Pa。流量越大,沿程阻力损失越大,两种热沉表现为同样的分布规律。热沉几何参数接近的情况下,流量对热沉内部流速有决定作用,布局方式基本不影响。在进口介质温度相同时,同一热沉流量越大,进出口温度差越小,增加流量能减小热分布不均匀性,使温差减小,温度趋于均匀的物理事实。笼式热沉进出口温差普遍高于板式热沉,说明板式热沉有较好的热均匀性。研究结果对今后热沉结构设计有指导意义。

带肋复合微通道换热器内流动传热性能研究

为探究微肋与二次通道复合结构对微通道换热器流动换热性能增强的影响机理,采用数值方法,研究了不同雷诺数下6种带肋复合微通道换热器内的压降、流场结构、摩擦系数、基底温度、相对努赛尔数和综合流动换热性能,并与矩形光滑微通道和无肋二次通道微通道的流动换热性能进行了对比。研究表明:在流动特性方面,引入二次通道结构对微通道内的压降损失和相对摩擦系数没有影响,但引入微肋结构会产生节流效应并诱发漩涡结构,导致微通道内的压降损失增大3~10倍;在传热特性方面,引入二次通道结构能够强化换热,在二次通道结构基础上增加微肋结构能进一步增强微通道换热器的传热性能;相比于矩形光滑微通道和无肋二次通道微通道,复合微通道换热器的基底温度最高下降13.52 K,相对努塞尔数最高增大35.36%;在综合性能方面,对于所研究的6种带肋复合微通道换热器,前三角肋复合微通道具有最优的流动传热综合性能,并具有高流速、低泵功率、低热阻等优点。

高密度烃在冲压发动机再生冷却中适用性研究

为了研究高密度烃是否适用于宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却,分析了高密度烃再生冷却关键表征指标及其实验方法研究现状,然后模拟再生冷却系统典型冷却通道结构,在背压3.5 MPa和6.0 MPa工况下,采用单管直流电加热实验系统,开展了HD-01高密度烃热沉及结焦特性研究。研究结果表明:在3.5 MPa背压实验中,出现了燃料温度振荡、管路热声振荡和外壁温度异常升高现象;而在6.0 MPa背压实验中,未发生管路热声振荡现象,燃料温度和外壁温度升高过程均较为平稳。3.5 MPa背压和6.0 MPa背压两种工况的HD-01高密度烃600℃热沉均大于1.8 MJ/kg,在整个实验温度范围内,热沉上升速率变化不明显,表明在600℃内燃料的裂解率不大。在600℃进行长时间加热结焦实验时,加热管进出口压差非常稳定,均没有超过30 kPa,没有出现结焦堵塞使压力急剧上升的情况,表明HD-01高密度烃在600℃以内结焦率很低。从热沉及结焦特性两个关键指标分析可知,HD-01高密度烃适用于最高马赫数5.0的宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却。高密度烃用于再生冷却时,冷却通道的设计压力应高于其临界压力值3.6 MPa,并留有足够裕度,以保证发动机再生冷却在全域全温范围内稳定可靠工作。

热通道内典型碳氢燃料的热解结焦行为

燃料分子结构是影响主动冷却通道内热解结焦过程的重要因素。在预氧化的STS304(Φ3.0 mm×0.5 mm×1.0 m)流动反应管内,600~800℃、1.0 MPa下对比了正庚烷(nC_(7)H_(16))、异庚烷(iC_(7)H_(16))、甲基环己烷(MCH)、正十二烷(nC_(12)H_(26))、甲苯(A_(1)CH_(3))的热解结焦行为。实验定量获取了热解气液产物并计算了燃料反应热沉,通过称重法对比了非稳态结焦特性和沿程结焦分布规律。结果表明,较低温度650℃下链烷烃的转化率较高,环烷烃次之,A1CH3在高于775℃转化率骤增。低温下MCH和nC_(12)H_(26)结焦速率较低,高温下MCH和A_(1)CH_(3)的结焦速率显著提高。直链烷烃裂解双烯含量最高,稳定的环状结构均有利于提供高热沉。iC_(7)H_(16)比nC_(7)H_(16)更稳定且结焦趋向更弱,但甲基的存在,产物烷烃化程度增加。五种典型燃料的结焦过程均呈现三阶段非稳态生长规律,低温下链烷烃结焦速率较大,高温下MCH和A_(1)CH_(3)结焦贡献显著提高。

面向金属泡沫散热器设计的自然对流拓扑优化

针对传统方块型金属泡沫散热器散热效率不高,难以满足高功率电子器件散热需求的问题,发展了基于格子Boltzmann和水平集方法的三维拓扑优化方法。首先,采用格子Boltzmann方法求解多孔介质内的流动和传热过程;然后,采用伴随格子Boltzmann方法计算梯度;最后,根据反应-扩散方程更新水平集函数。通过对底部放置发热元件方腔的自然对流过程开展拓扑优化,得到特征格拉晓夫数为2.4×10^(2)~1.2×10^(5)的4种优化散热器结构,定量评估了散热器的强化换热性能并分析相关机理。研究结果表明:随着格拉晓夫数的增大,散热主导机制由热传导转变为热对流,优化结构由伸展的树枝状向收缩的花朵状结构转变,以留出更多空间使得流动涡旋充分发展;与传统的金属泡沫方块结构和开槽的金属泡沫块结构相比,所提优化结构表现出优异的散热性能,其分支结构和中空结构能够优化方腔内的流动,从而将散热效率提升了29.7%以上,表明了所提拓扑优化方法的有效性。研究工作可为新型金属泡沫散热器的设计提供理论指导。

基于微通道散热的板条激光放大器热仿真分析

众所周知,热效应是限制大功率高能量激光器发展的一大瓶颈,在高能激光产生的过程中伴随着大量的废热产生,影响高能量激光器的光束质量甚至会影响其正常工作。为了保证高能量激光器的稳定运作并研究其工作物质的散热过程中的热分布状态,本文建立了一种用于高能Zig Zag板条激光放大器的双端入水微通道散热模型,利用CFD模拟仿真软件在额定工况下对微通道与空腔热沉进行散热对比,还研究了模型的可变参量:通道高度、翅片厚度,以及水流量对于散热性能的影响。模拟研究发现本文提出的微通道热沉冷却效果优于全腔水冷效果,微通道热沉将晶体表面最高温差控制在4℃以内,表面温度也降低了32;同时在压降允许范围内优化通道参数能再将冷却效果提升10,实现增益介质分布式高效散热。

基于插片散热器的某功放单元设计

设计一款可在室内机房环境条件下工作,总热耗约为2700 W,结构紧凑、散热方式简单、散热效果良好,可安装在19寸机柜内的功放单元。依据该功放单元工作原理、内部器件布局、热耗,综合考虑散热与结构要求,设计一种采用组合插片散热器强迫风冷的方案。通过功放模块和电源分组固定安装在分层的3个插片散热器上,同时与设备侧壁形成完整的风道的方式,实现了功放单元的强迫风冷散热;并对该设备进行了热传导与散热理论计算,同时运用仿真软件建立模型,进行数值分析。数值仿真结果显示,该功放单元正常工作热交换达到平衡状态时,功放模块外壳最高温度为64.2℃,满足设计要求。通过实物样机验证了该功放单元基于组合插片散热器结构设计方案的可行性,以及计算、仿真方法的合理性、正确性。

一种低成本相变材料热沉的设计与仿真

针对现有电子设备使用复合材料相变热沉成本较高的问题,通过对某电子设备模块相变热沉的导热筋厚度、沿传热路径的布置方式、导热筋打孔孔径和孔隙率等对相变热沉传热的影响进行设计与仿真,提出一种低成本、轻量化的相变材料热沉设计策略,即导热筋仅在主要热传导方向布置、通过打孔增加比表面积。与8%膨胀石墨−高碳醇复合相变热沉相比,以该策略设计得到的相变热沉对非临界结温状态的芯片温度影响很小,温差不超过3.2℃,且质量只增加5%,而成本仅为复合相变热沉的1/3。以上研究为相变材料热沉降低成本、推广使用提供了一种新方法。

半导体激光Bar条应力抑制研究

为抑制半导体激光器件封装应力和Y、Z轴方向的形变,提出了一种用于封装高功率半导体激光Bar条,且具有通过丝杠实现应力调节机制的双热沉封装结构。利用有限元法分析了半导体激光器CS和应力可调节双热沉两种封装结构的应力分布,以及在CW连续工作条件下两种封装在Y、Z轴方向的形变,并对不同调节应力Bar条的应力分布进行了仿真分析。分析表明,应力可调节式双热沉封装结构有效减小了工作热应力并抑制了Smile效应和热透镜效应,为半导体激光Bar条的应力抑制研究提供一定的理论支撑与参考。