微通道耦合射流系统换热特性研究

随着集成电路的快速发展,电子元件的发热功率也越来越高。如果产生的热量积聚在电子元件内不能够快速散失,将会导致过高的温度,严重损害电子元件的功能和使用寿命。因此,如何对高热流密度电子元件进行有效的热管理,成为集成电路行业发展亟需解决的问题。微通道耦合射流冷却技术由于整合了微通道热沉冷却技术和射流冷却技术的优点,被认为是未来解决高热流密度电子元器件散热问题的有效途径之一。本文以水为冷却介质,对微通道耦合射缝射流换热系统(M-SJ)进行了研究。主要研究内容包括:(1)通过数值模拟的方法研究了通道横截面形状分别是梯形(TM-SJ)、矩形(RM-SJ)和圆形(CM-SJ)的三种微通道耦合射缝射流系统。结果发现,梯形微通道耦合射缝射流系统(TM-SJ)具有最低的底面平均温度和最小的底面温差,并进一步对造成三种微通道耦合射缝射流系统之间的冷却效果差异的原因进行了分析。(2)对梯形微通道耦合射缝射流热沉(TM-SJ-HS)中的流动和传热性能进行了实验研究,并与未添加射流冲击的梯形微通道热沉(TM-HS)作了比较。研究发现,尽管流体通过TM-SJ-HS的压降略大于TM-HS,但是,TM-SJ-HS的降温和均温效果均优于TM-HS。此外,还拟合出了用于计算梯形微通道耦合射缝射流换热系统(TM-SJ)的平均努塞尔数的经验关系式,能够准确地表达TM-SJ中的对流传热特性。(3)通过数值模拟的方法研究了射缝对TM-SJ流动和传热性能的影响。探究了射缝位置的影响,分析了TM-SJ的底面平均温度和底面温差随射缝位置的变化规律,找到了能够使TM-SJ具有最佳冷却效果的射缝位置。对TM-SJ中射缝长度进行了研究,分析了TM-SJ的底面平均温度和底面温差受到射缝长度的影响规律。(4)通过数值模拟的方法研究了梯形微通道的几何参数(通道的高度,通道的底面宽度和通道侧面与上底面的夹角)对TM-SJ中流动和传热性能的影响。并对三个几何参数对TM-SJ的底面平均温度和底面温差影响程度的大小进行了比较。(5)对梯形微通道耦合射缝射流热沉(TM-SJ-HS)应用于聚光光伏电池热管理进行了实验研究。分析了射缝板上不同的流体分配方式对TM-SJ-HS冷却效果的影响,并对不同TM-SJ-HS冷却下的聚光光伏电池的发电效果进行了比较。