内嵌温敏型水凝胶的联通型--微针肋分形微流道传热强化及自适应流量调控特性研究

摘要

微电子产业和半导体技术的发展使电子芯片趋于小型化、集成化和高功率化发展，热失效和局部热点问题频发，亟需解决电子元器件散热问题。道法自然，经过进化的选择仿生分形微通道散热器具有优良的热质传输性能，因此本文采用数值研究的方法对仿生Y型微流道进行结构优化，获得均匀热流条件下流动和散热性能俱佳的微流道热沉，在优选结构内嵌入温敏型水凝胶，实现不可控局部热点的自适应快速冷却。　　研究发现Y型微流道热沉存在沿流动方向温度分布不均的问题，提出联通Y型微流道（CY型），对比研究两种流道的流动散热性能。Y模型中分支处未形成涡流，而CY模型的分支处两侧形成了2个对称的涡流，起到一定的扰动作用，增强了对流换热能力。与Y模型相比，CY模型的峰值温度较低，中低温区较多，高温区位置后移，温度分布更加均匀。综合考虑流动传热性能，CY模型略优于Y型，但在高热流密度条件下二级流道仍存在高温区。　　基于此，为了进一步缓解沿流程温度分布不均的问题，在综合性能较好的CY型热沉的相邻二级流道间嵌入不同尺寸的微针肋（rfin=0.05mm，rfin=0.075mm，rfin=0.1mm），形成三种嵌入微针肋的联通Y型微流道（FCY-1、FCY-2、FCY-3），考察其热质传输性能。由于嵌入微针肋使FCY型流道的复杂性增加，流体流动过程中扰动作用增强，强化了二级流道的散热，换热能力提高的同时也使压力损失增加。FCY-1、FCY-2、FCY-3模型的传热系数分别是CY模型的1.12倍、1.28倍和1.11倍，FCY-2模型的散热能力最强，FCY-1、FCY-3模型的散热能力相当，但是三种模型的散热能力都优于CY模型。　　此外，为满足热点处的自适应散热，提出在热质传输性能最优的FCY-2型热沉的一级流道末端和二级流道中嵌入温敏型水凝胶，考察了均匀热流和热点条件（单一热点、热点位置、热点面积）下，FCY-2型和嵌入水凝胶的GFCY型热沉的流动散热性能。均匀热流条件下，水凝胶对于分形流道没有流量调控作用，但是能有效调节分形流道和针肋流道的流量分配，嵌入水凝胶的热沉比FCY-2型热沉热源面温度更均匀。嵌入水凝胶之后出现2个温度下降区，是FCY-2型热沉（只存在1个温度下降区）温度降低幅度的2倍多。此外，GFCY型的极限冷却能力显著优于FCY-2型，其冷却能力平均提升了30%。热点条件下，热点热流密度越大，发生体积相变的水凝胶越多，热沉所需的泵功率越低，流量调控能力越强，越有利于强化散热。距离热点近的水凝胶先变形，越多的水凝胶变形，流道的冷却能力越强，温度分布也越均匀。但是当热点热流增大到一定值时，其能引起的水凝胶的变形数量不再增加。随着热源面面积的增大，水凝胶对热流的敏感度显著提高，变形数量急剧增多，自适应冷却能力更强，热点强化散热优势更明显。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外电子芯片散热技术的研究现状

1.2.1 电子器件散热技术研究进展

1.2.2 芯片微流道及热点散热的研究进展

1.2.3 温敏型水凝胶的研究进展及应用

1.3 课题研究的目的及内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

2 物理数值模型

2.1 物理模型

2.2 数值模型

2.3 模型验证

2.3.1 网格独立性分析

2.3.2 数值方法可行性验证

2.4 微流道热沉性能评价指标

①当量直径

②雷诺数

③热源面最大温差

④微流道热沉的总热阻

⑤微流道热沉的进出口压降

⑥微流道热沉消耗的泵功率

⑦对流换热过程的有效换热量

⑧平均对流换热系数

⑨每一级仿生微流道的平均努塞尔数

⑩综合性能因子（FOM）

2.5 本章小结

3 均匀热流条件下 Y型、CY型微流道热沉的流动传热特性对比

3.1 Y型和 CY型微流道热沉的流动特性

3.2 Y型和 CY型微流道热沉的传热特性

3.3 Y型和 CY型微流道热沉的综合性能

3.4 本章小结

4 均匀热流条件下 FCY型微流道热沉的流动传热特性对比

4.1 FCY型分形微流道热沉的流动特性

4.2 FCY型分形微流道热沉的传热特性

4.3 FCY型热沉的综合性能

4.4 本章小结

5 内嵌水凝胶的分形微流道热沉的自适应流动传热特性

5.1 均匀热流条件下内嵌水凝胶的分形微流道热沉的热质传输特性

5.2 热点条件下内嵌水凝胶的分形微流道热沉的热质传输特性

5.2.1 单一热点

5.2.2 不同热点位置

5.2.3 不同热点面积

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

附 录

A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文与专利

B.作者在攻读学位期间参加的科研项目

C.学位论文数据集

致 谢