高温MEMS薄膜热流传感器研究进展

对可用于高温环境的MEMS薄膜热流传感器(TFHFS)的测量原理、结构设计、材料成分以及制造技术进行了简单阐述,分别介绍了半无限几何、热阻式、热电堆和横向热电效应型TFHFS的结构特点和应用优势。归纳讨论了国内外科研团队研制的各种TFHFS的量热法、传感方式、结构、材料以及测量模式,按照热敏材料分为金属和合金型、陶瓷和新型聚合物衍生陶瓷型两类,重点关注TFHFS的高温稳定性、响应时间、灵敏度等性能。最后,总结了目前TFHFS面临的技术难题和发展趋势,可为应用于更严酷环境的高温薄膜热流测量技术提供参考。

微纳卫星热状态仿真及分析

卫星热控系统通过调节星上热量收集、转移、排放的过程,从而达到控制星体温度水平和温度稳定性的目的,对卫星进行在轨热状态分析和依据分析结果进行热控措施调节与评估至关重要。针对低轨微纳卫星热状态分析的关键问题,给出了卫星在轨时刻所受空间外热流的计算方法,在此基础上,综合考虑温度影响因素和传热特点,建立了卫星外壳、辐射器、内环境和内外部单机的瞬时温度计算模型。以一低轨微纳卫星为例进行仿真计算,对结果进行了分析与讨论,为进一步深入研究卫星的热控设计提供了快速、简便的分析方法。

微小流道冷板换热性能研究

为解决高热流密度、大功耗电子器件散热问题,设计了一种串、并联结合的微小流道集成模块冷板进行局部强化传热。结合热源温度、流体压降、均温性等因素,基于流体传热仿真的评估方法对冷板进行换热性能分析和优化。在微小通道区域,研究对比矩形长直型、圆形扰流柱、菱形扰流柱3种不同流道结构形式对冷板传热性能及流动特性的影响。研究结果表明:使用菱形扰流柱形式的微流道与矩形长直流道相比,最高温度降低23.8℃,均温性减小7.7℃,能满足冷板表面最高温度≤65℃的要求。菱形扰流柱可以大幅强化换热效果,散热效果提高了27%左右,取得了较好的工作温度和均温性。

冬小麦种群不同分布方式对农田小气候及产量的影响

本试验研究了冬小麦种群不同分布方式对农田小气候及产量的影响,试验设5种分布方式,即行距×株距分别为A:7cm×7cm,B:14cm×3.5cm,C:24.5cm×2cm,D:(20+40)cm×1.6cm(行距为20cm和40cm间隔出现),E:49cm×1cm,A处理株距与行距相等,A到E处理株距依次变窄,行距依次变宽。结果表明,行株距分布较均匀的B处理能够明显降低近地面空气温度和0～5cm土壤温度,增加空气相对湿度,减少了棵间蒸发。从能量平衡角度看,B处理能够降低湍流热通量和土壤热通量,提高潜热通量,改变近地面的微气候状况。行株距最为均匀的A与B处理之间的产量差异不显著,但显著高于其他处理,分析结果表明,产量与穗数呈显著正相关。

表面热功能结构制造领域的发展及关键技术

表面热功能结构是指在固体表面加工出具有不同形貌、不同尺度、不同维数,并具有散热或传热功能的结构。复杂表面热功能结构在高集成度芯片热控制方面有着广阔的应用前景。如何根据热功能需求主动设计表面结构并提出适合高效率低成本的制造方法是解决高热流密度问题的核心所在。在对当前表面热功能结构的发展现状分析基础上,较详细论述了表面热功能结构制造领域的关键技术,指出未来表面热功能结构研究的重点应集中在结构的微细化和复杂化、表面热功能结构的高效低成本制造方法等方面。

一种多级式热电堆型微量热流传感器的设计与制备

基于一维平面传热基本原理,选用细康铜丝和酚醛树脂层压板作为实验材料,用硫酸铜酸性镀铜法制备热电堆,用多个热电堆串联的方式提高热电堆的级数,制备了一种多级式热电堆型热流传感器。研究结果表明,该传感器的系数为48.44 W/(m2·mV),分辨力为0.05 W/m2,测量准确度优于3.0%,能够满足精确测量微小热流密度的需要。

平板微热管阵列及其传热特性

研制了结构紧凑的带有微结构的平板微热管阵列,并对其充装不同工质时的传热性能进行测试。同时对热管内充装不同工质时的热通量进行了测试。结果表明,在使用甲醇、乙醇、丙酮、R141b为工质的情况下该平板微热管阵列的散热效果良好,其中甲醇为工质的散热器在保证芯片表面正常的工作温度下的最大热通量及总热量输运能力分别达到102W·cm-2及102W以上。最高热通量可达200W·cm-2。以甲醇为工质的不同充液率实验表明,平板微热管阵列的热通量随充液率的不同而有所变化,最佳充液率为0.3。

矩形微槽道纳米流体饱和沸腾临界热流密度特性

针对纳米流体在微小尺度传热领域的应用,在常压下对微槽道中纳米流体的流动沸腾临界热流密度进行实验研究。分别以体积浓度为0.2%、0.5%的水基Al2O3纳米流体为工质进行试验,研究不同质量流速、槽道尺寸以及体积浓度等因素对沸腾CHF的影响。对比水为工质实验结果,表明:槽道尺寸、质量流速对于水-Al2O3纳米流体和纯水的CHF影响一致。其它参数一定的工况下,纳米流体CHF比纯水大,且随着纳米流体体积浓度增大,出口壁面过热度会增大。最后介绍一个微槽道沸腾CHF的预测模型,在评价其不足的基础上提出一个关于CHF的预测公式,与实验数据进行对比,验证该公式的适用性。

矩形微通道散热器流道的数值模拟及尺寸优化

微通道散热器具有体积小、流速小、压降小、散热高等优点,随着工业微型化的发展,微型散热器的应用越来越广泛.已有的研究表明,微通道的散热性能主要决定于微通道的几何参数和流体的流动情况,相对于三角形和梯形结构,矩形微通道具有更好的散热性能.基于ANSYS Workbench有限元软件,对长度为40 mm,不同截面尺寸的单通道内流体流动及传热性能进行了数值模拟,给出具有较小压降、较大散热效率的微通道尺寸.对优化后的模型计算分析,在一定流体流速和温度的初始状态下,基底给一定热通量,经过计算,散热器可运输的热通量较高,压降较低,热传递效率较大,散热器具有良好的工作性能.

矩形微槽道饱和沸腾临界热流密度特性

对矩形微槽中的流动沸腾临界热流密度进行了实验研究。研究CHF随质量流速、进口过冷度和出口干度的增加而出现的变化趋势,以及槽道尺寸对CHF的影响。搭建试验平台,在不同槽道当量直径、较大范围的质量流速和不同进口过冷度条件下,获得以去离子水为工质两相沸腾传热的实验数据。由于常规尺寸槽道CHF预测关联式并不具有普遍性,所以提出了一个适用于微槽道饱和沸腾CHF的预测模型。并通过与该文以及参考文献中实验数据进行对比,验证了该模型的适用性。

影响薄带连铸低碳钢带表面微裂纹形成的主要因素

以目前国内外已公开的薄带连铸专利为基础,综述了生产低碳钢薄带产品时微裂纹形成的主要影响因素。采用对钢液的碳、硅、锰、硫的含量进行严格控制;通过真空处理减少钢液中的气体含量;形成足够数量的低熔点夹杂物;采用合适的结晶辊形貌等措施,对于改善结晶辊和铸带之间的传热、减少和控制薄带连铸低碳钢产品的微裂纹缺陷有效果。

长菱形微针肋热沉的流动与换热特性

加工硅基长菱形微针肋热沉,并对其流动与换热性能进行试验研究和数值模拟。结果表明:在试验雷诺数Re范围内,长菱形针肋的换热系数随Re的增大而增大。雷诺数相同时,热流密度对换热系数的影响较小。热阻随泵功的增加不断降低;在泵功较小时,热阻降低的速度较快;当泵功增大到一定值时,热阻的变化趋于平缓。在一定的泵功下不同热流密度之间的总热阻没有太大的区别。努塞尔数Nu随Re增大而增大。与同样尺寸圆形、菱形针肋相比,长菱形针肋具有较好的换热性能,可以避免针肋尾部涡脱落造成的阻力损耗,同时长菱形针肋尾部延伸拓展了换热面积并扩大了固体导热区,从而提高换热效果。

加热热通量对微柱群通道内强迫对流换热的影响

以去离子水为工质,流经宽度3.5mm、长度40mm的叉排微柱群板,微柱群由直径500μm,高度分别为500、750、1000μm的微柱组成。实验研究微柱群内部加热热通量对换热特性的影响。采用电加热棒进行加热,测量微柱群板Reynolds数在100～1000之间时的进出口温度与流量,进而获得微柱群内部Nusselt数。研究结果表明,加热热通量对微柱群换热特性有重要影响。一方面,加热热通量的增大导致工质平均温度升高,工质Prandtl数降低,削弱了工质的换热能力;另一方面,加热热通量的增大降低了工质黏度,加剧了工质热运动,扰动增强,强化了工质的换热能力。当Re较低时,加热热通量的增大由于削弱了端壁面效应对换热的不利影响,同时增加了壁面与工质之间的温差,从而导致换热强化;随着Re的增大,端壁面效应减弱,因而加热热通量的增大对微柱群内部换热的影响减弱。

微系统热管理技术的新发展

多功能高度集成的微系统技术对信息系统的通信、传感、处理和执行等方面产生了很大的影响,而热管理问题却一直制约着微系统技术的发展。该文介绍了美国在微系统热管理技术方面的项目研究计划及基于热传导与液冷技术的微系统热管理技术的新进展,提出了一种基于压电驱动的主动微系统高效热管理方法,并通过搭建试验样机完成原理性测试验证。该技术主要针对如微波毫米波大功率"瓦片式"T/R(收发)组件等射频微系统热管理应用。

竖直微槽道内沸腾换热CHF实验研究

对于沸腾换热,一个主要的约束条件就是临界热流密度(Critical Heat Flux,简称CHF)。这个约束条件对沸腾换热量有一个最高值的限制。文中对矩形微槽道中的流动沸腾临界热流密度进行了实验研究。实验数据是在不同尺寸(0.15mm;0.4mm;1mm)微槽道中,在较大范围的面积质量流速和不同进口过冷度下,以去离子水为工质得到的。实验过程中发现,达到CHF时,靠近出口壁面温度会突然升高,此时传热效率迅速下降。实验数据分析结果表明:CHF随质量流量的增加而增加;进口过冷度对CHF没有明显影响;CHF随着出口干度的增加而降低。

MEMS薄膜热流传感器研制

基于微加工技术设计制备了一种微机电系统(MEMS)薄膜热流传感器。采用COMSOL软件,对不同结构参数MEMS薄膜热流计进行仿真模拟,通过对仿真结果对比和分析,优化热流传感器的设计参数。根据优化的设计参数利用MEMS工艺制备薄膜热流计。搭建了标定系统,对所制备的MEMS薄膜热流计进行性能测试和标定。实验结果表明:薄膜热流计的电压输出响应曲线的变化趋势和仿真结果一致,此外,薄膜热流计的输出电压和热流密度呈良好的线性关系。

微重力火箭气动加热计算

针对气动外形为曲线、锥(柱)旋转组合体的微重力火箭,采用半球 柱(锥)和后掠翼的气矾加热计算方法及公式,分析计算了超高音速飞行状态下微重力火箭各特征表面上的热流及温度,并用一元平板传热模型和差分方法计算了箭体结构内部的温度分布,为箭体结构及热防护提供了有效的设计方法和可靠依据。

微小通道表面射流冲击冷却系统实验研究

根据电子器件的高热流密度散热需求,设计了阵列式射流与微小通道热沉相结合的闭环回路冷却系统,并进行流动及换热性能测试.通过实验探索了系统运行工况参数如流量、背压、工质除气和入口过冷度对冷却性能的影响;比较了不同结构尺寸参数(射流孔形状、射流孔直径d、射流高度H)下热沉换热及流动性能的差异.实验数据与现有文献中经验关系式的预测结果相符.

基于多孔微热沉的大功率LED冷却技术研究

针对大功率发光二极管(Light-emitting diode,LED)具有的高热流通量、表面温度要求严格控制的特点,提出一种新型高效的基于多孔微热沉系统的散热技术来满足大功率LED散热封装的需求。分析多孔微热沉系统的工作原理以及传热特性,基于局部热力学平衡建立多孔微热沉流动与传热的数学模型,并用SIMPLE算法进行数值求解,得出微热沉的温度分布以及影响微热沉性能的一些因素。数值研究表明:在高热流密度下,微热沉散热表面的温度能维持较低水平,即使在热流达到200W/cm2时,散热表面的最高温度才55.2℃;提高工质入口流速可以降低微热沉内的温度以及散热表面的温度水平。多孔微热沉系统能够有效地解决大功率LED的散热问题,提高LED芯片的可靠性与使用寿命。

一种适用于高热流密度芯片的微槽道冲击射流冷却系统

设计了以水为工质的浸没式微槽道多喷嘴冲击射流冷却系统,并将其应用于高热流密度芯片散热。给出了冲击射流原理,详细介绍了实验装置和实验工况。实验结果表明,在相同喷射间距下,CPU表面平均温度随射流速度的增大而线性降低,CPU表面平均传热系数随射流速度的增大而线性增大;在相同的射流速度下,CPU表面平均温度和平均传热系数几乎不随喷射间距变化;在相同的射流流量下,喷嘴数量对冲击表面平均传热系数和温度没有显著影响。将该冲击射流冷却装置应用于数据中心空调系统,理论上可以全年不开启制冷机。