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。

复合蒸汽通道柔性均热板设计及其传热性能研究

近年来,随着科技的发展与进步,各种柔性电子设备得到普及。成倍增长的功耗导致电子芯片在狭小空间内产生过高的热流密度和工作温度,引发了严重的散热问题。然而,传统的均热板因较大的刚性不适用于柔性电子设备。为解决上述问题,文中基于铝塑膜壳体制造了一种具有复合蒸汽通道结构的厚2.2 mm的柔性均热板,并对其在不同灌液量、不同重力方向、不同弯折角度和弯折次数的稳态传热性能进行了测试。结果表明:该柔性均热板的最佳灌液量为700μL;在7 W的加热功率下,其热导率最高可达1264.9 W/(m·℃),为壳体材料(铝塑膜)本身热导率的4517.6倍,其传热性能良好。

用于星载高功率电子设备的增材制造平板热管设计与验证

针对未来星载高功率电子设备大功率、高热流、高集成的散热需求,解决传统槽道或丝网毛细芯平板热管逆重力传热量小、极限热流密度低的问题,文章提出了一种基于增材制造技术的新型平板热管,利用增材制造技术在成型复杂构型方面的优点,设计出一种基于复合毛细芯的平板热管构型,采用扫描电子显微镜(SEM)和显微断层扫描(MicroCT)对毛细芯微结构进行分析,结果表明:毛细芯结构成型完整、孔隙分布均匀。传热性能试验结果显示:二维平板热管极限热流密度高达88 W/cm~2,传热热阻仅为0.024℃/W,三维平板热管在不同姿态下传热能力和传热热阻变化显著,相关数据可为星载高功率电子设备热控设计和验证提供参考。

热力耦合作用下薄壁均热板的力学特性分析

随着航天技术的快速发展,高功耗、大尺寸电子元件的散热问题亟待解决。基于被动式两相热输运机理的大面积薄壁均热板提供了一种有前景的高效散热选择,同时大面积、薄壁的结构特点也为其流-热-力耦合设计带来了一系列挑战。基于弹性力学理论与有限元分析方法,分析了承力单元各结构参数的力学构效关系,并研究了在不同压力场、温度场、热-力耦合场下腔体应力的变化规律。仿真结果表明,承力单元最大应力与孔隙率、承力柱直径呈指数关系。当只考虑腔体内部温度场时,腔体热应力与承力柱直径正相关,与孔隙率和板厚负相关。温度场和压力场在承力结构的不同部位会导致不同的拉、压应力效果,腔体的表观最大应力受到温度场与压力场两种作用相互叠加或抵消的影响。

井下硐室柴油蒸气泄漏扩散规律

随着柴油单轨吊和无轨胶轮车等辅助运输装置在煤矿井下的推广应用,在井下运输和加注柴油的频率越来越高,运输和加注柴油过程中泄漏的柴油和挥发的柴油蒸气会污染井下空气环境,严重时还可能造成燃烧与爆炸事故。针对煤矿井下柴油运输及加注过程的环境特点,构建了井下流态环境泄漏柴油蒸发扩散模型,建立了基于风速和蒸发速率的柴油蒸气体积分数峰值预测方法,研究了不同环境风速及柴油蒸发速率条件下的柴油蒸气体积分数分布规律,提出了煤矿井下柴油蒸气-瓦斯混合环境防火防爆措施。结果表明:在井下流态环境中,柴油蒸气扩散呈现出明显的沉降、分层及分段特性,风流对柴油蒸气扩散具有促进作用;当柴油泄漏后20s时,蒸气可扩散至距泄漏点下风侧10 m;当柴油泄漏后40 s时,蒸气可扩散至距泄漏点下风侧15 m;当柴油泄漏后70 s时,硐室中各监测点柴油蒸气体积分数达到峰值并趋于稳定;柴油蒸气体积分数峰值点位于泄漏点下风侧1 m处;可通过采用降低硐室环境温度、减少泄漏面积和增加风速等措施防止柴油蒸气-瓦斯混合气体燃烧和爆炸。

质子交换膜燃料电池均温板散热特性的数值分析

以面向质子交换膜燃料电池电堆散热的超薄均温板为研究对象,用多孔介质传热模型、层流模型和Brinkman方程构建三维稳态数值模型,通过质量守恒确定气液界面的相变传质,研究在吸液芯饱和充液的常规工况下均温板的稳态特性。结果表明:超薄结构以及支撑柱的存在使内部压降较大;随着冷凝段对流换热系数的增大,均温性变差,内部压降也显著增大;随着热流密度的增大,温差先增大后减小,热阻持续下降;孔隙率的变化对平衡终态影响较小;渗透率的增大将极大的降低吸液芯内的液体压降,有利于相变循环。

一种铝基均热板的制造工艺研究

文中针对高功率器件的高效散热和轻量化设计需求,开展铝基均热板制造技术研究,设计了一种铝基均热板的成型工艺。利用钎焊烧结法制备一体化铝毛细芯,通过中温钎焊技术完成壳体封装,对烧结粉末成分、比例、烧结温度等工艺参数进行了优化,并对制备的样件进行了测试。测试结果表明,该工艺方案可获得厚度大于0.3 mm、孔隙率大于40%的结合强度大、均匀性好的铝毛细芯,制备的铝基均热板的当量导热系数大于1200 W,为铝基均热板的规模化生产提供了一种解决思路。

腔体材料对氧化铜箔衬底上制备石墨烯的影响

传统的化学气相沉积法制备的石墨烯普遍存在晶畴面积小、晶界缺陷多的问题,严重制约了大面积石墨烯的性能及应用。本文采用低压化学气相沉积技术在受限生长腔中的氧化铜箔衬底上制备石墨烯,对比研究了石英和刚玉两种材质的受限生长腔中,不同甲烷流量和生长时间条件下氧化铜箔衬底上石墨烯的形核生长状况。结果表明,相同生长条件下,相较于石英受限生长腔,虽然刚玉受限生长腔中石墨烯的晶畴尺寸较小,但是氧化铜箔衬底表面沉积的杂质颗粒较少,因而石墨烯的形核密度较低,晶体质量较高,更有利于大尺寸、高质量石墨烯的制备。

基于主被动冷却耦合的棱柱电池热管理系统研究

随着电动汽车电池包容量的增加和电池单元能量密度的提高,电池的热管理已经成为当前电动汽车设计制造过程中的重点和难点。本文基于单个电池单元和电池模组逐级热分析的方法,在电池模组的热管理系统中,引入液冷板作为主动式制冷,同时采用风冷和均热板作为被动式制冷。首先,通过对单个电池单元进行细致建模,计算得到不同电池单元放电倍率下的产热量。然后,对组装成的电池模组进行主动和被动热管理系统的建模。接着,分别对两种不同的热管理系统—风冷与液冷耦合系统、液冷与均热板耦合系统进行最高温度和温度均匀性的模拟仿真,并选择冷却性能更优的结构。最后,对选定的热管理系统在不同质量流量下对系统冷却效果的影响进行优化设计。研究结果表明,随着冷却液流量的增加,最高温度呈现下降趋势,且在2.125 L/min之后冷却效果趋于平缓。综合考虑冷却效果和系统能耗,2.125 L/min的进口流量是在液冷与均热板耦合系统下的最佳选择。

均热板扩散烧结成型质量控制

1~3 mm厚度均热板产品在试产过程中均出现过形变、砂眼、裂纹、粘连等质量缺陷问题。剖析成因与高温环境中铜片的延展性能相关,与石墨盘盘洁净度和尺寸精度相关,与烧结后铜片的脱模效果相关。为解决均热板在扩散烧结过程中产生的质量问题,文中进行了铜片高温延展性能的试验,测试石墨盘盘接触面平整度,对扩散烧结参数进行优化,采用氮化硼脱模方法等,保证了均热板在扩散烧结工艺的产品质量。

车辆检测设备散热设计与仿真分析

为了保证高功耗车辆检测设备在高温环境下的工作性能,使用热仿真软件,研究均温板、翅片和界面导热材料等散热结构对车辆检测设备散热性能的影响,并基于仿真结果对设备的散热结构进行优化;制作样机后,在高温箱里进行样机试验,并将试验结果与仿真结果进行对比。结果显示:均温板具有超高的导热系数,可以降低扩散热阻,有利于降低芯片温度;增高机箱翅片的高度可使降温效果极为明显;调整翅片间距和厚度、增加基座的厚度以及选取厚度合适、导热系数高的硅胶垫片等措施均能一定程度上提高设备的散热能力。这些散热措施有效保证了设备的稳定运行,为类似产品的设计提供了指导。

Identification of Model Parameters of Vaporized Hydrogen Peroxide Decomposi-tion Flux on Building Materials for Compu-tational Fluid Dynamics

To maintain healthy and sanitary indoor air quality, development of effective decontamination measures for the indoor environment is important and hydrogen peroxide is often used as decontamination agent in healthcare environment. In this study, we focused on the decomposition phenomena of vaporized hydrogen peroxide on wall surfaces in indoor environment and discussed a wall surface decomposition model for vaporized hydrogen peroxide using computational fluid dynamics to simulate the concentration distributions of vaporized hydrogen peroxide. A major drawback to using numerical simulations is the lack of sufficient data on boundary conditions for various types of building materials and hence. We also conducted the fundamental chamber experiment to identify the model parameters of wall surface decomposition model for targeting five types of building materials.

舰载加固服务器热设计优化与数值分析

针对某舰载加固服务器样机高温试验过程中CPU温度过高导致的报警问题,在实测CPU传热路径的温升占比值及分析组装式热管冷板传热特征基础上,确定组装式热管冷板热阻过大是导致CPU超过允许温升的主要原因。采用蒸汽腔均热板导热柱和内外框架结构对舰载加固服务器进行热设计优化,利用Ansys Icepak建立了数值样机模型并进行网格独立性检验和热仿真分析。结果表明:改进后CPU温升值降低了7.8℃,验证了热设计优化可行性,缩短了研发周期,为类似型舰载加固服务器设计提供了参考。

基于均热板冷却的聚光光伏和温差电热联产系统的动态性能分析

针对聚光下电池温度急剧上升造成电池转换效率下降的问题,在高热流密度电子器件冷却研究的基础上,优化设计了两种基于均热板冷却的聚光光伏/光热-热电发电机(concentrated photovoltaic/photothermal-thermoelectric generators, CPV/T-TEG)系统和聚光光伏/光热-太阳能热电发电机(concentrated photovoltaic/photothermal-solar thermoelectric generators, CPV/T-STEG)系统.根据能量守恒原理,建立了2种系统的动态模型.利用MATLAB软件,研究了不同热电发电机(thermoelectric generators, TEG)组件对系统动态性能的影响规律.结果表明:CPV/T-STEG系统全天的平均热功率达到了258 W,明显高于CPV/T-TEG和基于均热板冷却的CPV系统;CPV/T-STEG系统中CPV电池组件可维持在较低的温度下工作,且系统能输出更多的热水;1 d中,CPV/T-STEG和CPV/T-TEG系统中,CPV电池的电效率最小值分别为13.73%和13.00%,TEG组件的电效率最大值分别为0.31%和1.63%;CPV/T-STEG系统1 d能产生130 kg温度为321.05 K的热水,而CPV/T-TEG系统仅能产生110 kg温度为320.00 K的热水.

基于6U VPX主板的铝基均热板散热性能实验研究

针对某6U VPX高性能主板发热器件众多、总热功耗大导致的散热难题,开展了铝基均热板散热盒的工程应用实验研究。测试结果表明:常温28℃环境中,自然散热工况下铝基均热板散热盒无法满足主板散热要求,风冷散热工况下,铝基均热板散热盒上最大温差为7.2℃,CPU和DSP芯片最大结温分别为45℃和50℃;高温60℃环境中,均热板上最大温差为6.7℃,CPU和DSP芯片最大结温分别为85℃和83℃,低于允许结温105℃。由此可知,铝基均热板散热盒散热性能显著,配合风冷工况可以满足标准6U VPX高性能大功耗主板的散热需求,是解决主板散热困难的有效手段。

仿叶脉均热板的传热性能实验研究

均热板作为一种高效散热元件已广泛应用于电子器件的热管理,其吸液芯的结构形式是均热板进行高效散热的关键。文章受自然界植物叶片蒸腾作用的启发,通过粉末烧结形成多孔结构的吸液芯以模仿植物叶脉及叶肉组织,设计了以多边形的边(VC-B)和以多边形(VC-G)作为均热板内部支撑两种吸液芯结构进行对比研究,并探究充液率以及冷却水温度对均热板传热性能的影响规律。研究表明:VC-B均热板在充液率为60%左右时具有最优的传热性能,所能承载的最大热流密度为120 W/cm^(2);VC-G均热板在冷却水温度为10℃时所能承载的最大热流密度为130 W/cm^(2);在较低的冷却水温度下,均热板的传热能力较强,但均温性较差。仿叶脉均热板可为大功率、高热流密度电子设备的散热提供有效的解决途径。

均温板复合微通道液冷板的设计与性能研究

为解决高功耗和高热流密度芯片的散热问题,设计了一款新组合形态的液冷板——均温板(Vapor Chamber,VC)复合微通道液冷板。首先介绍了均温板复合微通道液冷板的设计方法,接着开展了仿真评估,最后进行了测试及回归分析。测试结果表明:VC复合微通道冷板能解决单芯片功耗650 W、热流密度100 W/cm^(2)的散热问题,此时VC复合微通道液冷板底面温度为63:3℃,热阻只有2.815E-2℃/W。同时,在一定范围内,随着热源功耗的增加,液冷板热阻减小,散热效果提升。

均热板的研究现状及应用前景

随着第五代移动通信技术(5G技术)的出现与快速发展,电子产品尤其是智能手机、平板电脑等产品,愈发朝着高性能、高集成和微型化的方向发展,导致其在极端狭小空间下产生超高热流密度。均热板作为一种高效的传热元件,具有低热阻值和均温性特点,被广泛应用在高热流密度设备的散热模块中。本文综述了国内外均热板的研究现状,介绍了均热板的优势、传热原理、结构,总结了均热板建模仿真模拟的现状,分析评估了制备工艺等对均热板性能的影响,并提出微纳尺度铜基吸液芯制备方法和均热板可靠性评估方法,在此基础上,展望了均热板的应用前景及发展趋势。

激光微纳加工微槽道试验研究

针对100 mm×100 mm×2 mm铜制均热板进行微槽道激光加工试验研究,初步探究激光重复频率、扫描速度和扫描方式等工艺参数对微槽道微观结构及表面质量的影响规律,并对9组试件微槽道深度及表面质量进行了试验分析.结果表明,激光扫描速度越快,槽道表面质量越差;重复频率越高,表面形貌越光滑;使用多次加工方式比一次加工成型得到的微槽道热影响低,表面质量高.最终确定,铜制材料在填充间距0.01 mm、功率18 W、激光扫描速度300 mm/s、频率50 KHz、多次加工工艺下的微槽道加工工艺质量最优.

叉指型液冷微槽道蒸汽腔的制备与性能研究

本文提出了一种基于叉指型液冷的微槽道蒸汽腔的结构,在蒸汽腔的内部集成了液冷流道并与工质流道交错布置,从而将单相对流换热与相变换热两种传热模式集中在一个散热器中。针对其传热性能开展了实验研究并与同尺寸下的微通道液冷散热器进行比较。结果显示,所制备的液冷蒸汽腔均温性能好,结构简单,加工简便,可靠性高,满足散热器薄型设计的要求。液冷蒸汽腔在不同工况下的启动时间为40至80 s,热响应性能良好。在实验的工况下,液冷蒸汽腔的最高温度相比微通道液冷至多可以降低3.40℃。