Numerical investigation on thermal properties of micro-pin-fin cooler

Micro-pin-fin cooler mounted on the power chip enables the heat removal to meet modern microsystem requirement. Carbon nanotubes （CNTs） have been proven as a potential material for micro-coolers due to the superior thermal conductivity, good mechanical property and so forth, and there appear various applications of CNTs in the micro-cooler technology. In the present paper, an analysis of the thermal and hydraulic characteristics of the micro-pin-fin heat sink was conducted, where air was used as the cooling medium and an impinging jet was introduced to enhance the heat transfer. Three-dimension computational fluid dynamics （CFD） simulations were carried out for micro-pin-fin coolers with various parameters, including the pin-fin size and pattern as well as the jet velocity and nozzle diameter. The flow field and thermal properties of the. micro-pin-fin heat sink were obtained, and the heat removal efficiency was evaluated.

膜片式微通道预冷器换热微细管束振动分析与可靠性评价方法

针对预冷吸气式组合发动机的膜片式微通道预冷器换热微细管束振动可靠性问题,建立换热微细管固有振动特性计算方法与数学模型,研究预冷器换热微细管在高速气流冲击下的振动模式,给出综合考虑旋涡脱落激振、紊流抖振和弹性激振等多种共振模式的预冷器换热微细管束振动可靠性评价模型,揭示预冷器换热微细管振动可靠度的变化规律。研究结果表明,预冷器换热微细管的固有振动频率与换热微细管外径、壁厚、相邻支撑间隔板之间跨度以及材料特性等参数密切相关,其振型具有正弦函数的特征;预冷器换热微细管在高速气流冲击作用下存在旋涡脱落激振、紊流抖振、弹性激振等共振模式;预冷器换热微细管振动可靠度随外侧被冷却工质流速的增大呈现出先降低后提高并趋近于某一数值的变化规律;为防止预冷器换热微细管发生共振损坏,在结构设计中要充分结合工作剖面、流动换热特性等,合理设计换热微细管束结构参数。

表冷器微元表面温度法传热计算和试验研究

针对采用盘管表面平均温度进行表冷器空气侧传热性能计算时难以确定干湿工况临界点位置及计算结果偏差的问题,推导了微元表面温度与水温、湿球温度、管内外传热系数等变量之间的关联模拟计算公式,构建了基于微元表面温度的湿工况表冷器传热性能计算模型,并通过对百页窗表冷器样品进行空气侧换热性能试验和数据分析,验证了该计算模型的准确性。结果表明,干工况传热因子jdry随着空气雷诺数Rea的增大而减小,当Rea≤1401.8时下降速度较慢,之后快速线性下降,拟合计算值和试验值的平均偏差为2.974%。湿工况析湿系数ξ≤1.2时,湿-干传热因子比jwet/jdry随着析湿系数的增大而减小;析湿系数ξ>1.2时,湿-干传热因子比jwet/jdry在0.69左右,拟合计算值和试验值的平均偏差为4.243%。此外,根据典型工况下表冷器软件计算结果表明,从进风端到出风端,各计算单元的显冷量、显热比逐渐下降,而潜冷量则逐渐上升,微元表面温度与水温间温差逐渐降低,而湿球温度与微元表面温度间温差则逐渐上升。研究结果对表冷器干湿工况临界转换点的判别及空气侧传热传质性能精确计算的深入研究具有一定的指导意义。

激光二极管高效铜微通道冷却器设计

通过对铜微通道冷却器的散热分析,设计出5层结构的模块式铜微通道冷却器。采用常规的线切割工艺加工,散热通道宽大约200μm,深300μm,各层间用真空钎焊的方法组装。该冷却器对于腔长0 6mm、宽10mm的线阵激光二极管芯片热阻为0.58℃/W。通过面阵激光二极管封装实验证明,该冷却器可用于10%占空比工作的面阵激光二极管封装。

高功率半导体巴条激光器的热特性分析

对采用5层叠焊的微通道无氧铜热沉冷却的巴条激光器进行了流体动力学(CFD)分析。建立了条宽10 mm、腔长1.5 mm巴条芯片的流固耦合共轭传热模型,得到了不同流量水冷下激光器的热阻和压力损失曲线。分析了300 m L/min水流时,激光器的温度分布和冷却水的流动性能。实验条件下,测试了该微通道热沉封装的808 nm巴条激光器的热阻和压力损失。数值计算和实验测试所得的结果一致,在300 m L/min水流下,巴条热阻为0.38℃/W,在温度不高于70℃时可满足连续模式下90 W的散热要求。

应用热电制冷器的微型航天器主动温度控制及仿真

为了改善微型航天器的温度控制效果,介绍了一种应用热电制冷器的主动温度控制系统,建立了这种温度控制系统受控对象及辐射器温度变化的动态特性模型,并对受控对象内部热源功率发生变化时的温度控制效果进行了仿真分析。仿真结果表明:热电制冷器和PI控制器相结合可以简便有效地完成微型航天器内部电子设备的温度控制任务,动态特性模型为这种温度控制系统的优化设计提供了简便的数学模型。

MEMS微型热管研究进展

MEMS微型热管作为一种新型的热管技术,在微电子、光电池、红外探测头和激光二极管等的热控制方面具有很大的应用前景。首先,介绍了MEMS微型热管的特点和基本工作原理,简单回顾了其发展历程。然后,从MEMS微型热管的加工制作方法、通道尺寸和总体结构特点出发,指出了其优势所在。在此基础上,综述了近年来微型槽道热管、微型毛细泵回路、微型回路热管和微型振荡热管等不同类型MEMS微型热管的研究进展。最后,总结了MEMS微型热管的发展趋势和实际应用所面临的挑战,指出降低制作成本、优化工质充注封装工艺、改进测试手段和加强运行机理研究是今后工作的重点。

16通抽运微通道冷却Yb:YAG薄片激光器

为了研究Yb:YAG薄片激光器的性能,采用16通抽运耦合、微通道冷却的方法,对薄片的优化厚度、热力学特性和激光性能等进行了理论分析,利用直径10mm、厚度为250μm、掺杂原子数分数为0.1的Yb:YAG薄片进行了实验验证,抽运耦合系统实现了对薄片的16通抽运,在抽运功率为81.9W时,获得了平均功率为24.4W的激光输出,光光转换效率达到了29.8%。结果表明,多通抽运微通道冷却Yb:YAG激光器可以获得较高的光光转换效率。

大功率LED阵列的热沉结构设计和参数优化

大功率LED是一种新型的照明光源,散热问题是研制大功率LED的关键技术之一.采用微通道制冷技术,设计了大功率LED阵列的外部热沉.提出采用交错结构的微通道,可以增加热交换系数,减小通道中流体压力的下降,从而提高散热性,同时可以减少直通道结构在制作和安装过程中造成微通道断裂的可能性.针对交错结构的微通道,理论分析了影响其热阻的因素,推导了热阻表达式,并对微通道散热器的结构参数进行了优化,当通道宽度取到某一数值时,散热器的热阻可达到最小.

微型温差电器件及相关材料的研究现状

1821年德国科学家塞贝克发现的塞贝克效应以及后来帕尔帖效应和汤姆逊效应开启了热电学的大门,人们应用这些效应先后制造出了各种温差电器件,如温差电发电器、温差电致冷器、温差电传感器、温差电探测器等。随着微电机系统(MEMS)技术、微电子技术引入温差电器件的制造,微型温差电器件吸引了越来越多的注意。介绍了近年美国、德国、中国等在微型温差电器件制造及材料研究方面的相关研究成果。

微型热电制冷器制造技术及其性能

介绍了微型热电制冷器的分类以及结构和性能特点,重点阐述了Cross-Plane和In-Plane两类微型热电制冷器的制作工艺及其研究现状。微型热电制冷器的制作工艺复杂,加工难度大,实际制冷性能与理论值还有一定差距。研制高优值系数的热电材料和对结构进行优化设计是提高微型热电制冷器制冷性能的根本途径。

二氧化碳热泵热水器微通道气体冷却器的仿真分析

设计了一种用于二氧化碳热泵热水器的新型微通道水冷气体冷却器,用有限单元法建立了换热计算模型并编制程序。对微通道内CO_2和水侧的流动与换热进行了数值仿真;运用该模型分析了各种参数下气体冷却器的换热性能及CO_2侧的压降。可用于指导优化设计。

二氧化碳微通道气体冷却器的数值仿真与性能优化

建立了跨临界CO2制冷系统中微通道气体冷却器模型,对管内CO2和空气侧的流动和换热进行了数值仿真.比较了多种工况下的仿真结果与实验数据,验证了该模型正确性;并运用该模型分析了各种参数下的气体冷却器的性能,可用于指导优化设计.

微通道冷却器的数值分析

微通道热沉是制作在硅芯片基底背面的微细通道。其水力直径范围为10～1000μm。微通道具有高表面积一体积比、低热阻、低流量等特点，是一种高效散热的解决方案。一个典型应用是激光二极管列阵的致冷。然而，微通道里流体的状态和传热与宏观状态相比有很大不同，有必要开展进一步研究。论文采用商业软件CoventorWare^TM建立一个平板式微通道的有限元模型，据此对微通道中流体状态及传热进行了数值计算，获得了单个微通道中流场和温度的分布。结果表明，对于2000pm×50pm×500μm的微通道。能够对500W／cm^2的热通量快速散热，热阻仅有0．0423K／（W·cm^-2）。

基于微机电系统技术的微型热电致冷器研究进展

介绍热电材料、热电器件的原理及发展历史,从材料及结构两方面,对基于微机电系统加工工艺的微型热电致冷器的最新研究进展进行综述,比较不同材料及不同结构的性能特点,对块体热电材料和低维热电材料的研究进展进行介绍,着重分析超晶格薄膜材料及Cross-Plane型器件,指出研究具有更高优值系数的新型材料,在维持Seebeck系数不变的同时提高电导率并降低热导率,及采用新的加工工艺优化致冷器的结构,减小接触电阻、接触热阻等,是提高热电致冷器性能的有效手段。

CO_2微通道气冷器的流场分解模拟及实验验证

为了研究CO2流量分配不均匀度对气冷器流动特性和传热特性的影响,建立了跨临界CO2制冷系统的微通道气冷器分解模型.实验结果表明：随着CO2制冷剂质量流量由110 kg/h增大到470 kg/h,扁平管内最大流量不均匀度由97%降低到18%,流量是影响不均匀度的重要因素;流量分配不均度对CO2微通道气冷器的流动特性影响明显,而对传热特性影响较小.比较了不同工况下相应的模拟结果与实验数据,平均换热系数误差为4.82%~38.25%,摩擦系数误差为6.09%~26.65%.

热声制冷机微热力学循环的[火用]经济性能优化

用有限时间热力学方法分析存在传热损失时,热声制冷机微热力学循环模型的火用经济性能,导出循环利润率与工质振荡温度,以及利润率与制冷系数的特性关系,并数值分析了价格比、横向温度梯度等参数对火用经济性能的影响。

CO_2微通道气体冷却器压降与传热特性研究

在微通道平行流式气冷器内进行了CO2的压降和换热特性实验研究,探讨了跨临界CO2循环换热过程中制冷剂质量流量、系统压力对气冷器换热性能、进出口压降的影响.实验结果表明:在接近临界温度时,CO2物理性能受压力和温度的影响较大,换热系数是远离临界区的7～9倍;随着CO2质量流量的提高,微通道管内流体Re相应提高,而较高的Re又使得湍流扩散率、管内温度梯度增大,同时在制冷剂入口附近的微通道换热器高温区域面积增大,表明当系统压力相同时,制冷剂入口温度随CO2质量流量的增加而增大.在一定的质量流量或压力下,存在着一个最佳的压力或质量流量,使得气冷器进出口压降达到最小.随着Re增加,气冷器的CO2压降关联式的预测精度均有所提高,为此提出了新的换热关联式和压降关联式.

CO_2微通道气冷器流量分配和换热特性的数值模拟及验证

本文建立了CO_2微通道气冷器集流管和微通道扁管两部分的物理模型并进行网格划分,模拟研究了扁管插入集流管深度f分别为4、5、6 mm和入口管在集流管1/6、1/2位置处对质量流量分配的影响,实验验证了CO_2微通道气冷器扁管壁面温度分布。结果表明:当f为4 mm、入口管位于集流管1/6处时,质量流量分配最均匀,此时不均匀度为0.4×10^(-3);模拟扁管内CO_2换热特性发现随着CO_2质量流量的增加,扁管换热量增加,流量由2.3 kg/h增至2.5 kg/h,换热量提高了21.4%;当质量流量一定时,CO_2的出口温度随着CO_2入口温度的升高而升高,在不同CO_2入口温度条件下,微通道扁管壁面温度实验值与模拟值误差在10%以内,验证了模拟的准确性。

大功率光导开关硅微通道散热器设计与测试

因焦耳加热导致光导开关芯片温度升高并形成局部热点,影响了光导开关功率容量、重复频率和寿命的提高,因此需对光导开关进行主动冷却。设计了一种矩形微槽硅微通道散热器,其由散热器本体和盖板两部分组成,散热器本体上设有分流槽、矩形微槽阵列、汇流槽,盖板通过半导体刻蚀工艺形成通孔,两部分通过硅-硅键合工艺连接以形成闭合通道。以水为工质,实验测试了不同冷却工质流量、进口温度时微通道散热器的换热性能、温度均匀性和流体阻力,证明该微通道散热器在适中的冷却工质流量下具有较高的换热性能、较低的流体阻力和较好的温度均匀性,满足重复频率大功率光导开关的散热冷却需求。