纳米流体在微电子元件水冷系统的实验研究

摘要

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（Control Unit），其呈现出向高度集成化、深度微型化及高频化的发展趋势。微电子未来的发展将面临空间微尺度和时间微尺度条件下的散热问题，则在传热领域将面对更严峻、更棘手的挑战。纳米流体是由分散相（纳米颗粒）和分散介质（基液）构成的胶体分散体系，是新型的高热导系数的换热工质，在微电子领域将发挥其显著的换热属性。基于此，本文采用目测沉降法、透射比法和透射电镜法评定了Cu-水与 Al2O3-水两种纳米流体的稳定性，对去离子水和 Cu-水与 Al2O3-水两种纳米流体在微机CPU液冷式散热系统内流动和换热特性进行了实验研究。实验测定了Re在400~2000范围内，质量分数为0.1％-0.5%的 Cu-水与Al2O3-水两种纳米流体在微机CPU散热器内的对流换热系数和流动阻力系数，并研究了其对流换热特性和流动性能的综合表现。
　　实验结果表明：与去离子水相比，Cu-水与 Al2O3-水两种纳米流体均具有更好的散热性能，CPU芯片表面温度降低了4-18℃；质量分数为0.1%-0.4%的纳米流体对流换热系数较去离子水显著增高，Cu-水的换热系数约为去离子水的1.1-2倍；质量分数0.5%与0.4%纳米流体的对流换热系数接近。两种纳米流体的流动阻力系数较去离子水均有一定程度的增加，但随Re的增加增幅逐渐减小；相同Re下，Al2O3-水纳米流体的流动阻力系数略大于 Cu-水纳米流体的流动阻力系数。两种纳米流体对应的热性能系数均大于1，则说明强化换热的效果更加显著；热性能系数随质量分数的增加而增加；同时随 Re的增加而增加，但增长幅度逐渐减小。
　　归纳拟合了Cu-水纳米流体在CPU散热器内流动阻力关联式和换热关联式，通过比较关联式的计算结果与实验数据，结果表明关联式正确地描述了纳米流体在微机 CPU吸热盒内对流换热过程。

目录

主要符号表

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 纳米流体的制备与稳定性分析

2.1 纳米流体的制备

2.2 纳米流体稳定性分析

2.3 Cu-水纳米流体物性分析

2.4 本章小结

第3章 纳米流体流动和换热特性实验系统

3.1 实验系统

3.2 实验流程

3.3 实验误差分析

3.4 本章小结

第4章 微机CPU吸热盒内纳米流体的实验分析

4.1 实验数据分析

4.2 数据误差分析

4.3 热平衡计算

4.4 实验结果分析

4.5 本章小节

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及发表的学术论文

声明

致谢