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高效微小通道热沉的设计及实验研究

作　者: 金漫丽
导　师: 杨昆
学　校: 华中科技大学
专　业: 工程热物理
关键词: 微小通道叉排数值模拟优化实验研究
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,随着电子设备组装密度越来越高,散热问题越来越突出。微通道热沉具有比表面积大、换热效率高及结构紧凑等优点,成为国内外学者研究的热点。本文的设计要求是:在40mm×20mm散热面上,热流密度达到20W/cm2时,热沉壁面温度低于60℃。为了实现此目标,本文提出了一种高效叉排肋片结构的微小通道。采用FLUENT软件对叉排结构热沉和传统直列结构热沉进行了性能对比,结果表明叉排结构热沉较直列结构其换热能力提高了18%以上,但也带来了阻力增大的问题。此外,从场协同角度出发解释了叉排微小通道热沉传热强化和耗功增大的机理。根据数值研究结果对叉排热沉的肋片倒圆角,发现倒圆角对热沉性能的影响很小。因此,本文在不改变肋片形状的基础上,对影响叉排肋片微小通道热沉的结构参数做了深入的探讨,研究表明:叉排肋片存在一个最佳的肋片长度比值,最佳的肋片厚度比值,最佳的肋片高度比值,使得热沉的性能最优。分析有、无进出口管对热沉压降的影响,结果表明进出口管的压降占总压降的50%以上,这说明热沉主体的压降比总压降小很多。以优化的结果为基础,结合加工工艺,本文加工了四组叉排肋片微小通道,在不同加热功率、不同流量、不同设计尺寸情况下,对其进行了散热和流动测试实验,并对实验结果进行了分析和讨论。实验发现热沉壁面温度与热流密度呈线性关系,加热功率变化时,热沉的动态响应仅需1分钟;随着流量增加,热沉换热性能提高,压力损失也增大;实验结果表明设计尺寸为Y=1,Wc=2.1热沉的换热效果最好,这与数值计算结果一致。并且当流量为4.17ml/s时,在热流达到30W/cm2的情况下,热沉的壁面温度低于60℃,表明本文设计的热沉满足课题要求。实验热沉的数值模拟与实验结果吻合得较好,并且本文设计的热沉较层叠蜂窝状热沉的换热性能提高了1倍以上。本文的研究成果和结论对微小通道热沉的设计具有重要的指导意义。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 概述  9-10
  1.2 电子器件冷却技术的发展  10-16
  1.3 微通道、小通道、大通道的区分  16-17
  1.4 微通道热沉研究现状  17-21
  1.5 课题研究背景和本文研究内容  21-23
2 微小通道的数值对比与结构优化  23-44
  2.1 直列和叉排结构微小通道热沉的性能对比  23-31
  2.2 肋片倒圆角对叉排结构微小通道热沉的影响  31-33
  2.3 进出口管对叉排结构微小通道热沉阻力的影响  33-34
  2.4 叉排肋片微小通道热沉的结构优化  34-42
  2.5 本章小结  42-44
3 叉排肋片微小通道热沉实验系统  44-53
  3.1 实验装置  44-45
  3.2 主要系统部件设计  45-47
  3.3 加热模块设计  47-49
  3.4 测量系统  49-51
  3.5 控制系统  51-52
  3.6 本章小结  52-53
4 叉排肋片微小通道热沉的实验研究  53-68
  4.1 实验内容和步骤  53-54
  4.2 实验数据处理  54-56
  4.3 不同加热功率的测试实验  56-58
  4.4 不同流量的测试实验  58-60
  4.5 不同热沉设计尺寸的测试实验  60-62
  4.6 实验误差分析  62-64
  4.7 叉排肋片微小通道热沉实验与数值对比  64-65
  4.8 与层叠蜂窝式微小通道热沉性能对比  65-66
  4.9 本章小结  66-68
5 结论与展望  68-71
  5.1 结论  68-69
  5.2 展望  69-71
致谢  71-72
参考文献  72-77
附录作者攻读硕士学位期间发表的论文  77

高效微小通道热沉的设计及实验研究

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