隨著電子元器件集成化的不斷發(fā)展,電子元器件功率密度不斷增加,元器件的熱管理所面臨的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。在雷達(dá)、激光、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域,由于在狹小空間內(nèi)存在大量高熱流密度、多熱源器件,傳統(tǒng)的液冷冷板已經(jīng)越來(lái)越不能滿足高功率、高集成電子元器件的熱控需求。探求新的熱控方法,以滿足緊湊空間高熱流密度散熱需求,并提高熱控精度、滿足溫度均勻性要求,是當(dāng)前電子散熱急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。噴霧冷卻由于具有散熱能力強(qiáng)、流量需求小、溫控響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),在高熱流密度熱控方面具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。為了解決緊湊空間的高熱流密度多熱源散熱問(wèn)題,本文結(jié)合微噴噴霧冷卻高熱流密度技術(shù)和液冷冷板結(jié)構(gòu)特征,提出了一種新型緊湊式微噴冷板,通過(guò)性能分析、樣件試制和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用前景,對(duì)該緊湊式微噴冷板的換熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本論文首先對(duì)液冷冷板的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,探討了微小通道的不同強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)冷板換熱特性的影響,得出了關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。研究果表明,針肋型強(qiáng)化結(jié)構(gòu)要優(yōu)于直肋型強(qiáng)化結(jié)構(gòu),在換熱性能提升了29.4%的同時(shí),發(fā)熱表面的溫度均勻性也有所提高;對(duì)于同一類(lèi)型的強(qiáng)化結(jié)構(gòu),其肋型間距越小,換熱效果越好;隨著體積流量的增大,在換熱效果得到提升的同時(shí),也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力的增加,因此,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求,來(lái)確定合適的流量。為了進(jìn)一步提升液冷冷板的換熱特性,本文提出了一種新型緊湊式微噴冷板以解決高熱流密度多熱源散熱問(wèn)題,并對(duì)微噴嘴的噴霧過(guò)程以及微噴冷板的換熱過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。對(duì)微噴嘴噴霧過(guò)程的分析結(jié)果表明,在噴嘴旋流腔張角相同的情況下,噴嘴流量和流阻隨著噴嘴進(jìn)口壓力的上升而增大,而噴霧張角隨流量的增大先快速增大,隨后基本保持不變;在相同進(jìn)口壓力下,流量隨噴嘴旋流腔張角的增大而減小而流阻隨旋流腔張角的增大而增大,噴嘴流量與流阻隨噴嘴出口直徑的增加而增大。對(duì)緊湊式微噴冷板的仿真結(jié)果顯示,在單個(gè)噴嘴流量為5.0 L/h條件下,可以實(shí)現(xiàn)300 W/cm2的散熱能力,并且多熱源之間的最大溫差為6.1℃,該分析結(jié)果表明,本文所提出的微噴冷板對(duì)高熱流密度多熱源具有良好的熱控效果。在仿真分析的基礎(chǔ)上,本文試制了一種緊湊型微噴冷板樣件并搭建了微噴冷板的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分別以水和乙二醇冷卻液為工質(zhì),對(duì)該緊湊型微噴冷板正常工況及振動(dòng)工況條件下的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了冷卻曲線及其可控參數(shù)對(duì)換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,以水為工質(zhì)的換熱效果比乙二醇的水溶液換熱效果好,并且緊湊型微噴冷板的換熱效果隨著流量的增大而升高,但升高速率逐漸趨緩,而流量的增加意味著泵功的增加,這表明緊湊型微噴冷板在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)流量的增加來(lái)提高散熱性能存在著一定的局限性;以水作為工質(zhì)的緊湊型微噴冷板的散熱能力超過(guò)300 W/ccm2,多熱源間的最大溫差不超過(guò)6.5℃,這表明該新型冷板在實(shí)現(xiàn)高熱流密度散熱能力的同時(shí),具有良好的溫度均勻性;緊湊型微噴冷板安置方向與重力方向的夾角對(duì)散熱特性具有一定的影響,安置方向與重力方向一致時(shí),由于較好的排液導(dǎo)致更好的散熱效果;由于振動(dòng)對(duì)腔內(nèi)液膜的擾動(dòng)具有一定的強(qiáng)化作用,相比于穩(wěn)態(tài)工況,緊湊型微噴冷板在三軸向振動(dòng)工況下表現(xiàn)出更好的散熱特性,其中Z方向(重力方向)振動(dòng)對(duì)冷板換熱效果提升的最為明顯。為了進(jìn)一步降低緊湊型微噴冷板的體積,本文最后提出了采用壓電陶瓷霧化噴嘴的微噴冷板的設(shè)計(jì)方案,通過(guò)壓電陶瓷霧化噴嘴的自身振動(dòng)產(chǎn)生噴霧效果,并研制了相應(yīng)的樣件,對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,在單個(gè)壓電霧化噴嘴流量為7mL/min,可以實(shí)現(xiàn)熱流密度為189.6 W/cm2的多熱源熱控,且熱源之間的溫差為8.6℃;壓電霧化微噴冷板的換熱效果受流量和噴霧高度的影響,隨著流量的增大,換熱效果升高,且多熱源的溫度均勻性也有所提升,存在一個(gè)最佳噴霧高度。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TN60
【部分圖文】：

圖１．３典型噴霧冷卻曲線??Ｇｒｉｓｓｏｍ等人１３２】通過(guò)對(duì)噴霧冷卻換熱機(jī)理的研究，認(rèn)為噴霧冷卻換熱過(guò)程三種模式，即干壁模式、液膜覆蓋模式以及萊氏模式。Ｖｏ丨ｋｏｖ等人陽(yáng)］搭建了冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)噴霧冷卻的換熱機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。噴霧冷卻的換熱機(jī)溫度較低的單相階段和溫度較高的兩相階段有較大不同，占換熱主導(dǎo)地位的模式也不同［３４］。??通過(guò)以上對(duì)高熱流密度散熱技術(shù)的介紹，上述幾種冷卻方式各自有自身的點(diǎn)，適合的冷卻條件和場(chǎng)合也有很大差別。隨著電子元器件的功率密度不斷５??

Ｓｉｌｋ等人［７１＿７６］對(duì)噴霧冷卻中發(fā)熱表面的幾何增強(qiáng)做了系統(tǒng)的研究，在一系列??對(duì)比實(shí)驗(yàn)中分別使用了直肋、立方針肋、塔肋、凹孔、徑向肋、多孔隧道以及之??間組合的多種表面幾何設(shè)計(jì)（如圖１．６所示）。在所有的實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)壓力、噴霧??高度等條件均相同，通過(guò)改變表面的幾何結(jié)構(gòu)或者不同肋片參數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究。??對(duì)于直肋強(qiáng)化表面，研究了肋片厚度和噴霧與肋片夾角對(duì)換熱的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)??薄肋片比厚肋片散熱效果好，而且存在適宜的噴霧和垂直軸線與肋片的夾角。在??對(duì)立方針肋的肋寬、肋高以及肋間距的研究中發(fā)現(xiàn)，立方針肋的肋寬與肋間距對(duì)??換熱有較大影響，而肋高影響較�。粚�(duì)于多孔隧道增強(qiáng)表面，使用孔徑分別為??０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在孔徑〇．５ｍｍ和１．０ｍｍ時(shí)換熱效果較平面??顯著提升，多孔隧道和薄直肋換熱效果最好。Ｙａｎｇ等人［７７】和Ｕｌｓｏｎ等人［７８］等人??也分別對(duì)塔肋、凹孔、泡沫金屬等不同表面幾何展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究。??直肋薄直肋立方針肋塔肋??圍—＿??凹孔徑向肋多孔隧道直鰭??圖１．６幾種幾何表面結(jié)構(gòu)圖??就目前研宄成果看

研制了兩種不同間距的肋片，其編號(hào)分別為樣品１和樣品２，樣品１的每個(gè)肋片??的間隔為０．９ｍｍ；樣品２的每個(gè)肋片的間隔為０．７ｍｍ。??圖２．１直肋型強(qiáng)化結(jié)構(gòu)示意圖??如圖２．２所示，為針肋型強(qiáng)化結(jié)構(gòu)示意圖，針肋的結(jié)構(gòu)大小為１ｍｍ的等邊??平行四邊形，冷板結(jié)構(gòu)類(lèi)似于強(qiáng)化結(jié)構(gòu)為直肋型的冷板，冷板進(jìn)出口在兩端，冷??卻工質(zhì)與針肋接觸進(jìn)行換熱。同樣，為了研宄針肋間距對(duì)冷板換熱性能的影響，??也研制了兩種強(qiáng)化結(jié)構(gòu)為針肋的冷板，其橫向和縱向的針肋間隔不一樣。將針肋??強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的冷板編號(hào)分別為樣品３和樣品４，樣品３的縱向每相鄰兩個(gè)肋片的間??隔為１ｍｍ，橫向每相鄰兩個(gè)肋片的間隔為１．４ｍｍ；樣品４的縱向每相鄰兩個(gè)肋??片的間隔為〇．７ｍｍ，橫向每相鄰兩個(gè)肋片的間隔為１．４ｍｍ。??暴??圖２．２針肋型強(qiáng)化結(jié)構(gòu)示意圖??四種冷板的外形結(jié)構(gòu)尺寸一樣
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本文編號(hào)：2894314