三层结构冷板传热特性的实验研究
毕业论文关键词 冷板 液冷系统 冲击射流 传热特性
Title Research on Heat Transfer Characteristicsof The Three-layer Vapor Chamber
Abstract With the rapid development of electronic technology，the power density of theelectronic device is sharply increased，but generally natural cooling and aircooling technology is difficult to meet the demand for electronic components. Moreand more studies have focused on the forced liquid-cooled cooling，cold plate asa mature and efficient heat transfer equipment has also been widespread. Designedan array jet impingement cooling structure in the cold plate through fusing jetimpingement cooling structure and cold plate structural. According to the designrequirements of cold plate and the theory， we established the model of the coldplate and investigated the jet hole size，spray distance，jet length and theexperimental system. Verified that the jet structure can greatly improve thethermal performance of cold plate；with the increase of coolant flow，the averageconvective heat transfer coefficient increases，the effect of the thermalperformance of cold plate also increases significantly；cold plate temperatureuniformity is good，with the increase of Re，Nu also increases，the effect of theheat transfer of cold plate is better.Keywords Cold plate Liquid cooling system Impinging jet Heat transfercharacteristics
目 次
1 引言1
1.1 研究背景及意义1
1.2 电子设备的冷却技术1
1.3 液体冲击射流的国内外研究现状3
1.4 冷板的国内外发展现状3
1.5 本文研究方法及内容5
2 射流冲击冷板的特性与机理7
2.1 冲击射流原理7
2.2 冷板的换热计算公式7
3 三层射流冷板传热特性实验13
3.1 实验系统16
3.2 实验要求与步骤16
4 三层射流冷板传热特性的分析17
4.1 实验工况17
4.2 实验结果分析17
4.3 不确定度分析25
4.4 本章小结26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
1 引言1.1 研究背景及意义科学的发展日新月异，自电子技术诞生以来，在工业电子领域，电子设备的发展方向是物理尺寸越来越小，热流密度越来越高，工作性能越来越强，因此电子设备的散热问题也受到越来越多人的关注[1]。当电子设备正在工作的时候，若产生的大量热量得不到及时的疏散，那么聚集在发热元件上的热量就有可能会损坏发热元件，从而损坏电子设备或是对其产生很大的影响，热流密度的急剧增大会降低电子元件的寿命。目前迫切的需要一种有效的散热手段对这种电子器件的温度进行有效控制，因此对冷却技术的要求就越来越高，在散热设计时会遇到的问题也急需我们解决[2]。冷板[3]因结构简单、冷却效率高、等优点而被重点关注，强迫冷却技术相比自然对流和辐射等换热方式，具有极强的换热能力，射流冲击技术就是典型的一种方式。液体喷射冲击技术原理比较复杂，研究方式也不太简单，目前尚缺少一套完整的体系，所以研究冷板与射流冲击技术结合后的换热特性具有特别重要的意义。1.2 电子设备的冷却技术1.2.1 自然冷却自然冷却方式不使用任何外部辅助动力，利用导热、对流、辐射传热进行冷却，但往往只对热量很小的部件散热有用。这种冷却方法的原理是利用密度随温度改变而散热，所以形成的流动力量不够大，流动时容易受到外部阻力的影响，使冷却速度降低，达不到需要的冷却效果。1.2.2 强迫冷却强迫对流传热是通过外部器件产生介质的强制对流来进行换热的，如利用风扇、鼓风机和水泵等工具，使冷却介质（液体或空气）高速通过发热元件表面，带走大量热量从而达到降低温度的目的。这种方法主要是依赖对流换热的作用，将热源的热量转移到散热器或是外部空间，从而降低热源的温度。1.2.3 热管热管，一般由圆柱形铜管制作而成，从传热角度看，沿轴线可分为蒸发段、绝热段和冷凝段。热管的优点有：①优良的导热性；②等温性好；③热流密度可变性；④热流方向的可逆性；⑤环境的适应性。尽管在各类冷却发热元件的方式中，热管是一种传热性能极好的元件，但是在传热能力的上限值仍会受到一种或者几种因素的影响，如图1.1 所示：从 1.1 图可以看出，热管工作时工作点必须时刻保持在线1-2-3-4-5-6 的下方才行，因为粘性限和声速限容易出现在低温区，而毛细限和沸腾限容易出现在高温区。1.2.4 热电冷却热电冷却是热电器件的一种功能，可以实现沿温度梯度相反的方向进行抽热。热电冷却实质上是一种热能与电能之间相互转换的过程，由导体连接两个点，主要原理是在低温区(冷端)将热能转换为电能，然后电能会沿导体传输，即电子流流动，并在热端上将电能再次转换为热能，从而实现两点之间的热传递过程，达到冷却的目的[4]。1.2.5 相变冷却物质的相变包括从液态到气态的蒸发、沸腾过程，气态到液态的凝结过程，固态直接挥发到气态的升华过程，随着物质相态的改变，会伴随着能量的吸收和释放。相变冷却的基本原理是在一定条件下，当物质从一种相态转变为另一种相态时，都要吸收或释放出一定的热量，但自身的温度不变。1.2.6 冷板冷却冷板作为热交换器的一种，采用的是单向流的流动方式，是电子设备冷却中应用最为广泛的一种冷却方式，具有结构简单、效率高、热阻低等很多优点，代表着目前高热流密度电子设备结构的工艺水平，能很好迎合目前电子设备热流密度高的特点。冷却方式是由热传导、强迫对流来进行传热，冷却液或者空气流经冷板时，通过热传导和强迫对流的方式带走大量热量，从而降低冷板的温度达到冷却发热元件的效果。冷板一般由铝板或铜板制成，铝板和铜板都具有较高的导热系数，这有利于热量从发热元件传递到冷却剂中[5]。综上所述，高热流密度电子设备的冷却方式有很多种，一般需要考虑具体冷却方式的可用性、经济性等原则，并配合需要冷却的电子元件来进行选择。目前，一般电子设备元件的散热常常采用冷却法，尤其是冷板，由于它具有结构简单、设计安装方便、换热能力强等优点，在航空航天等领域的应用也非常广泛，而翅片结构在体积和重量严格受限的情况下表现出独到的功效。结合本论文实际情况，采用液冷冷板的冷却方式比较适合，本文将主要研究以水为工质的射流冲击与三层结构冷板相结合的冷却装置的传热特性。1.3 液体冲击射流的国内外研究现状国内外对于冲击射流的研究也趋于更复杂化，从单个喷嘴到多个喷嘴，二文到三文的过程。随着研究的深入，研究的重点主要集中在对冲击射流影响的各个因素，如喷射速度、喷嘴形状、喷嘴几何尺寸和布置形式、喷射孔径、冲击高度、阵列射流等,国内外很多学者对不同排列喷射、不同冷却介质在自由射流和浸没射流时 Nu、Re、Pr 的关系式都做了大量的研究。Webb 和 Ma[6]等人设计实验通过改变 Re 数来研究相应的驻点传热特性，结果表明 Re 数越大，驻点换热能力越强，这与驻点处边界层变薄有关。无论是自由射流还是浸没射流,驻点的换热系数计算公式都可以表示为： n mC Nu Pr Re 。马重芳等人研究了不同介质为冷却液时的传热特性的影响， 分别以FC-72[7]、 变压器油[8]、R-133[9]和水[10]为冷却介质，分两种情况，即自由表面和受浸没表面，设计了圆形喷射冲击射流冷板，并进行了实验研究，测量了在不同 Re 下驻点的换热系数，得出一系列相关条件下的Nu、Re、Pr 之间的关系式。李强和宣益民等人对浸没阵列喷射冲击的冷板进行了大量的研究，实验条件为大表面和高热流密度，实验研究表明这种冷却方式具有很强的冷却换热能力，且影响因素有很多，比如喷射速度、喷射孔的布置形式和喷射孔径[11]。他们还采用铜-水纳米流体做为冷却剂，同为喷射冲击的方式，对其换热现象进行了研究，得出的结论是，液体中若添加纳米粒子会增强传热效果，但系统压降不会跟着增加[12]。
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