高热流密度芯片微通道散热与喷淋散热技术研究

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近年来,随着微纳电子技术的快速发展,使得芯片的集成度越来越高,随之所产生的热问题也越来越明显。如何解决高热流密度芯片所面临的散热是一个亟待解决的问题,传统的强迫对流换热,热管换热均不能满足散热要求。而微通道换热,射流冲击冷却,喷雾换热均作为紧凑,高效的传热方案成为研究的热门。  本文主要以对激光器件所产生的高热流密度进行散热为目的,基于上述三种方法的散热冷却进行预前研究,旨在为进一步实验方案提供理论基础。  对微通道冷却分析部分采用floworks软件,对比分析了传统微通道冷却,带分歧管的微通道冷却,和随形而建的带分歧管的V型槽微通道冷却结构,得出采用带分歧管的V型结构微通道冷却结构能有效降低热源表面温度的梯度,并降低最高表面温度。同时对影响V型槽微通道散热重要参数冷却工质流速,肋片占空比,微通道宽度进行了分析,并改善了分歧管的进出口位置,使得热源表面的温度分布更加均匀。  采用Fluent欧拉多相流摸拟了射流冲击冷却,分析研究冷却工质冲击速度,重力加速度方向,喷嘴高度,射流束直径,多孔射流,浸泡式射流冲击进行了研究,在此基础上,旨在选出最佳的结构参数,使其能散热能力达到500w/cm2。  喷雾冷却中雾滴模拟采用离散相模型,重点关注喷嘴特性参数包括雾滴质量流量,平均雾滴直径,喷雾散射角对散热的影响,并对喷雾与热源表面的距离,冷却工质温度对热流率的影响作了分析。最后对喷雾冷却中对散热影响最大的液膜层进行了研究分析,采用VOF模型摸拟了雾滴和液膜层撞击过程,并在液膜层中增加沸腾气泡,结果表明液滴撞击时和气泡破裂时对均能提高热源表面的热流率。
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