【摘 要】
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随着现代科技的飞速发展,高热流密度芯片性能不断提高,芯片性能上升的同时发热量也逐渐升高,普通散热器很难满足需求。针对更高的发热量,为保证芯片的工作性能及良好的稳定性,需有效提高散热器的散热性能。高热流密度芯片的高效散热成为科研人员亟待解决的关键问题。目前主流散热器还是以水冷为主,但其散热性能有限。干冰为一种优秀的自然工质,利用干冰的低温及高相变潜热可以有效的将芯片温度控制在理想的范围。本文建立了干
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随着现代科技的飞速发展,高热流密度芯片性能不断提高,芯片性能上升的同时发热量也逐渐升高,普通散热器很难满足需求。针对更高的发热量,为保证芯片的工作性能及良好的稳定性,需有效提高散热器的散热性能。高热流密度芯片的高效散热成为科研人员亟待解决的关键问题。目前主流散热器还是以水冷为主,但其散热性能有限。干冰为一种优秀的自然工质,利用干冰的低温及高相变潜热可以有效的将芯片温度控制在理想的范围。本文建立了干冰冷却高热流密度芯片的CFD仿真模型,设计了多种干冰降温散热器,模拟了各种结构下散热器的工作状态,在确定散热器最佳针柱直径、进出口位置、直径的基础上,进行了多种喷射速度及不同芯片功率的数值模拟。围绕干冰冷却高热流密度芯片,获得不同结构散热器的芯片底面温度分布、冷却特性、散热空间速度场等。通过实验验证数值模拟结果,对干冰冷却系统与水冷散热器以及液氮降温系统的冷却特性进行了实验对比,提出系统不足之处。为进一步设计开发高热流密度芯片干冰冷却系统提供依据。根据数值模拟及实验结果得出如下结论:（1）数值模拟结果显示,散热器模型参数为:进出口直径为12mm,入口位于顶部中心位置,出口位于侧面中心位置,针柱直径1.87mm,针柱数量为11×11（模型Ⅳ）时,可以使散热器内的温度场和速度场达到最佳耦合状态,在此散热器模型下的芯片底面温度分布最为均匀,冷却效果最好。（2）对数值模拟得到了散热器模型进行实验,得到:三种模型在热源功率P0=105W,流速为0.20m/s时都可以使芯片底面温度达到31.5℃之下。模型Ⅳ降温下的芯片底面温度均匀性更好,标准差仅为2.04。底面平均温度相差仅有1.07%的情况下,模型Ⅳ更适合为芯片冷却。实验结果验证了第三章得出的模型Ⅳ为最优换热器的结论。（3）流速的增大使雷诺数增大,进而使努塞尔数和散热器传热系数增大,热阻减小。当功率为165W、干冰流速为0.35m/s时,芯片温度可以稳定在58.09℃,干冰流速为0.25m/s就足以使功率低于125W的各芯片温度稳定在25℃左右。（4）液氮冷却系统冷却后的芯片温度最低;干冰冷却系统冷却速度最快,同种工况下,干冰冷却系统比液氮冷却系统到达稳定时间快接近150s,液氮冷却系统的底面温度均匀性较差。（5）综合分析,高热流密度芯片干冰冷却系统具有冷却效果好、冷却速度快、且芯片温度更均匀的特点。
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