芯片冷却用分形微管道散热器内的压降与传热

受到哺乳动物消化系统和血液循环系统中物质运输与分配网络所具有的分形特征启发 ,文中设计、加工出了一种电子芯片冷却用的硅制分形微管道网络散热器 .在给出分形微管道网络构造过程的基础上 ,探讨了分形微管道网络内部微流体的换热与压力降特性 .针对利用多路感应耦合等离子蚀刻工艺制造出的硅制分形微管道网络散热器 ,理论计算所得结论与流动与传热实验数据均证明 :当热传递面积、温差、努谢尔特数均相同的情况下 ,分形微管道网络散热器比传统的平行微管道阵列散热器具有更高的热传递效率 ;而在具有相同流速、热传递率的要求下 ,分形微管道网络散热器所需的泵送功率远低于平行微管道阵列散热器所需的泵送功率 ;分形维数越高 ,分形微管道网络散热器的热传递效率将越高 ,且所需的泵送功率将越低 .

Y形构形微通道流动换热特性的数值分析

针对矩形芯片提出了Y形构形微通道的芯片内部冷却结构,通过三维数值计算比较了Y形构形微通道与传统直微通道中的流体层流流动和换热特性,并对Y形构形微通道的重要结构参数进行了优化.研究表明:在相同对流换热面积和水利直径的条件下,Y形构形微通道具有比直微通道更高的传热效率和更低的进出口压降,可以满足高热负荷需求.在研究范围内通道级数为3级、分叉角度为60°、分支个数为2时,散热器的综合换热性能最好.以上结论为Y形构形微通道的结构设计提供了重要依据.

基于分形换热器的聚光太阳能PV/T一体化系统数值研究

建立基于分形换热器的聚光太阳能光伏光热一体化(PV/T)系统三维物理模型和稳态传热数学模型。采用控制容积法对系统模型进行求解,获得层流状态下不同雷诺数、不同聚光条件下系统内冷却流体的速度场分布、电池温度分布以及系统的电、热性能参数。计算结果表明:在一定范围热电联合效率随雷诺数的增大而增大,随聚光强度增强而增加,随入口温度的降低而增大;太阳电池板表面最大温差随雷诺数增大而减小。

单层微通道热沉拓扑结构对芯片中心热点的降温效能研究

通过热流固耦合模拟分析得到了不同微通道结构热沉基底的温度场及微通道内速度场,研究了相同入流功率下不同单层微通道拓扑结构对中心有高热流密度热点芯片的散热能力。结果表明:相同入流功率(0.05W)下,不同结构的散热能力排序由高到低为Y分形、弯曲散射、直散射(双侧出流)、直螺旋、直散射(单侧出流)、圆螺旋、树状分形、直槽结构;采用中心入流可有效降低芯片中心热点附近的温度,对于中心入流的散射结构,采用对称出流结构可提升其流动传热性能;Y分形结构具有良好的流动传热特性,对于热源面和中心热点均具有良好的散热效果。

分形微通道换热过程强化研究进展

随着微纳制造技术的快速发展,微电子芯片、微反应器和微燃料电池等微型器件受到了研究者越来越多的关注.微型器件的应用不仅对加工工艺和材料具有较高的要求,而且需要高效的热管理来维持其性能.特别是对于高集成度和高频化的高性能微电子芯片而言,超高的热流密度不仅会严重制约芯片的性能,而且会显著影响芯片的寿命和可靠性.鉴于传统的风冷和液体单相对流换热冷却方式无法满足散热需求,具有高换热系数的微通道换热技术成为解决微型器件散热问题的重要途径.然而,常规的微通道换热技术普遍存在着高流动阻力和非均温性的难题,限制了该技术的实际规模化应用.近年来,研究者开发出一系列新型的分形微通道技术用于换热过程强化.本文系统总结了不同类型的分形换热微通道(包括Y、H、T、Ψ、康托、科赫等分形结构),并对各分形微通道的原理和性能进行了着重介绍,最后对分形微通道换热的现存挑战和未来发展方向分别进行了分析和展望,以期为换热过程强化的发展提供新的研究思路.

分形小通道换热器内湍流与换热特性数值模拟

建立树状分形换热器通道内湍流流动和传热的三维模型,采用流、固耦合计算方法对入口水力直径为3.2 mm的矩形截面树状通道内流动与换热进行了数值模拟,获得了湍流状态下分形结构换热器内流体速度和温度分布、压力损失及换热器表面最大温差。在相同工况下,应用尼古拉兹半经验公式对通道内压损进行了理论验证。计算结果表明:分形树状通道结构在湍流状态下形成若干回流使其具有较强换热能力和较均匀温度分布,其换热器表面温差随入口雷诺数增大而减少,流体入口温度对换热器表面温差影响很小;随着入口雷诺数增大通道内压损是增加的,并且数值模拟结果与理论分析结果比较接近,说明采用文中数值模拟方法获得的结果准确可靠。

分形树状通道换热器内的流动换热特性

建立了分形树状通道换热器中层流流动与传热的三维稳态模型,采用流固耦合计算方法对入口水力直径为4mm的矩形截面树状通道内流动换热进行了数值模拟,重点研究了分叉效应对传热的强化机理和换热器受热面的温度分布。研究结果表明:分叉处形成的二次流能有效地强化换热;与传统的蛇形通道相比,分形树状通道换热器具有温度均匀性好、压降小的明显优势。在相同入口雷诺数时,分形树状通道换热器受热面的最大温差远小于蛇形通道换热器,另外,分形树状通道的层流流动压降较之蛇形流道可减小50%以上。同时,加工了分形树状通道换热器及蛇形通道换热器各一套,对数值模拟结果进行了实验验证。实验值与模拟值能较好地吻合,证明了所建流动换热三维数值模型正确可信。