金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究道

金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究道 西安科技大学 硕士学位金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究 姓 名:秦江涛 申请学位级别:硕士 专业:安全技术及 指导教师:赵建会 论文 题目:金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究专 业:安全技术及工程硕 士 生 :秦江涛 (签名)指导教师:赵建会 (签名) 摘 要 随着工业装备技术和 航空航天科技的迅猛发展，高性能工程材料的与制备变得更为重要。开孔金属 泡沫作为超轻多孔金属材料的一种，因其密度小，比面积大，骨架结构部分热传 导系数高，并具有较好的冷媒介质流动性能，经常被用作航空设备中的紧凑型热交 换器和大功率电子设备的散热装置中。集成化、小型化和功率密度不断增加是电子 设备发展的趋势，然而散热问题成为制约其发展的主要瓶颈之一。合理优化设计电 子设备的散热装置，改善电子设备内部流场，从而有效的降低关键元器件的温度， 提高电子设备的稳定性和使用寿命，成为电子设备设计人员广泛关注的课题。 本文 设计并搭建了用于电子器件散热的金属泡沫填充式散热器性能实验研究系统，对空 气流过金属泡沫散热器的对流换热进行了实验研究，所研究的金属泡沫为孔隙率为 30ppi 的泡沫铜、30ppi 泡沫铜镍和 70ppi 的泡沫镍。研究了相同孔隙率下;不同 空气流速、不同孔密度金属泡沫填充式电子散热器件的散热性能。 研究结果表明: 随着流速的增大，空气流经金属泡沫填充式电子散热器件的对流换热能力增大，在 摩擦阻力增大的同时平均对流换热系数也增大，而功率对对流换热强度的影响很小; 70ppi 金属泡沫镍填充的电子散热器件因其具有较大的比表面积，因而散热性能瞬 态散热效果优于 30ppi 金属泡沫镍和 30ppi 金属泡沫铜镍填充电子散热器件;在 给定的流速下，由于 30ppi 金属铜和 30ppi 铜镍的孔径的阻力降远远小于 70ppi 金属泡沫镍;在同样阻力降的条件下，70ppi 金属泡沫填充式散热器的散热性能不 如 30ppi金属泡沫散热器;且 30ppi 金属泡沫铜的导热性能优于 30ppi 金属泡沫铜 镍;经对比分析，30ppi 金属泡沫铜填充式电子散热器件的综合换热性能最好。关 键 词:金属泡沫;实验研究;电子散热器件;换热特性研究类型:应用研究 Subject : Experimental Research of Heat Transfer Characteristics Metal Foam-filled Radiator-type Electronic Devices Specialty : Safety Technology and Engineering Name : Qin Jiangtao (Signature) Instructor : Zhao Jianhui (Signature) ABSTRACT With the rapid development of industrial equipment and aerospace technology，designand preparation of high-performance engineering materials become more important .As a newkind of Ultra-light Cellular Materials metal foam can be used in compact heat exchangers forair borne equipments heat sinks for power electronics in the thermal management due to itspredominate performance，such as low-density large surface area in a limited volume， highthermal conductivity of the cell edges and the ability to mix the cooling fluid by promotingeddies. As the development of the electronic equipment to ward integration andminiaturization and the increasing of the power density thermal management becomes one ofleading problems that limit the development of the electronic equipment. It is desired todevelop electronic equipments with a better thermal structure and internal flow field whichcan improve the heat dissipation capability，reduce the important component’ temperature andincrease the stability and life. This paper designs and built a metal foam used in electronic cooling radiator performancetest research systems the air flow through the metal foam heat sink to conduct anexperimental study of convective heat transfer the study of metal foam as the foam porosity30ppi copper 30ppi foam copper-nickel and 70ppi of nickel foam. The effects of different airvelocity the same hole density foam filled with metal pieces of electronic radiator coolingperformance. Research the results showed: As the velocity increases the air flowing through the metalfoam heat sink piece of electronic heat capacity of the convection increases while increase infriction the average convective heat transfer coefficient increases the power on the strengthof convective heat transfer is small70ppi metal nickel foam filled electric radiatorpartsbecause of its large surface area . so instantaneous heat dissipation state heat better than30ppi metal foam metallic copper and metal foam nickel copper nickel-filled electricradiator parts a given flow rate due to 30ppi copper and copper-nickel aperture of thepressure drop is much less than 70ppi metal foam nickel as the same resistance 70ppi metalfoam-filled radiator cooling performance as 30ppi metal foam heat sink 30ppi and thermalconductivity of copper metal foam metallic foam is better than 30ppi copper and nickelThecomparative analysis 30ppi metal foam heat sink with a good over all performance.Keywords: Metal foam Experimental study Electronic radiator parts Heat transfer characteristicThesis : Application research 符号表 符号表符号 含义 单位A 散热器面积 m2b 、h 矩形截面的长和宽 mC 、m 、n 散热准则数系数和指数cp 流 体介质的比热容 J kg K de 非圆形通道当量直径 mE 消耗单位泵功率所得的热效 率EQ 热流 J Kf 、 f0 阻力系数Hc 、 Hh 单位冷、热流体的焓 J kgIr 流动阻力 引起的 损 J KK 总传热系数 W m2 K l 实验段测压孔间距 mN 冷、热流体在散热 器中流动所 W 必需的泵功Ns 熵产单元数Nu 、 Nu0 努塞尔数P 湿周 mΔp 实验 段压降 mmH 2OPEC 性能评价指标 1 符号表Pr 普朗特数Q 散热器的换热量 Wq 内热源强度 W m3 s qmc 、 qmh 冷、热流体的质量流量 kg sR 通道流通道半径 mRe 雷诺数ΔS 熵增 J K 0T 流体中的温度分布 CT1 、 T2 热流体进出、口温度 0 Ct1 、 t2 冷流体进出、口温度 0 CΔt m 对数平均温差 0 C 0tf 流体定性温度 CU 流体的速度矢量 m su 、v、w x、y 和 z 方向的速度分量 m sv 管内流体平均流速 m sYs 散热器的总熵增率β 速度矢量与热流矢量的夹角δ 散热壁面厚度 mδt 热边 界层的厚度 mδE 相对误差 2 符号表ε 孔隙率, 换热量提高率ηe 效率ηt 换热器的 热效率k 流体介质的导热系数 W m K λ 散热面壁面导热系数 W m K μ 流体黏度 Pa sρ 流体介质的密度 kg m3ζ 实验测量的标准误差 下标 1、2 分别表示进、出口， c 、 h 分别表示冷、热流体。 3 1 绪论 1 绪论1.1 研究的背景及意义 随着电子技 术的迅猛发展，电子器件的微型化已经成为现代设备发展的主流趋势，电子器件特 征尺寸的不断减小，(例如，微处理器的特征尺寸从 1990 年到 2000 年内从 0.35μm 减小到 0.18μm)，芯片集成密度和工作频率的不断提高，使得芯片热流密 度迅速提高。事实上，今天的大规模集成电路上产生的热流密度己经超过了 50W/cm2，而热流密度的这种增加趋势还会越来越快。电子设备的这种发展趋势对 热设计提出了极高要求，并且这种需求在不断增长。电子设备的运行实践表明，电 子元件的故障发生率是随工作温度的提高而呈指数关系增长的;相应的其功率耗散 密度必然增大，会产生更多的热量。如何将设备产生的大量热量散发出去，这是机 载计算机在特定的环境温度条件下能够可靠、稳定工作的保证。因此，在电参数设 计、结构设计、热设计三部分中，热设计技术就显得尤为重要。研究表明，超过 55 的电子设备的失效形式是由温度过高引起的，因此电子器件的热可靠性设计在电子 器件发展中具有举足轻重的作用。研究资料也表明1:单个半导体元件的温度升高 10?，系统的可靠性降低 50，这就是“10?法则”。文献1对芯片的结温和芯片工作 的可靠性之间进行了研究，同时更进一步验证了“10?法则”。表 1.1 给出了电子器 件失效率随温度变化的关系。 表 1.1 高低温部分元器件失效率及比值 基本失效率 元器件名称 ΔT / ? 高低温失效比值 高温 低温 晶体管 160?时 0.064 40?时 0.0008 120 8:1 玻璃陶瓷电容 125?时 0.029 40?时 0.0009 85 32:1 变压器和线圈 85?时 0.0267 40?时 0.0002 45 27:1 电阻(碳膜电阻) 90?时 0.0063 40?时 0.0002 50 31:1 集成电路芯片 90?时 0.51 40?时 0.0068 50 7.5:1 在许多环境条件恶劣的场合，电子器件还必须放在特定的环境里进行散热;在特定的环境中通过条件不理想，但是我们必须降低电子器件表面的温度;我们要通过提高散热器散热面积，来保证电子器件的可靠性;其次，通过改变电子散热器的翅距，提高换热强度;为了获得设计优良且工作可靠的电子器件和设备，就必须通过电子设备可靠性热设计，设计并实施各种有效的电子冷却和热控技术，将电子设备散发的热量迅速有效地带走并传给外部环境，使得元器件或设备的温度不超过极限温度和最高允许的温度， 1 西安科技大学硕士学位论文同时保证元器件或设备的温度分布能满足系统可靠性指标的要求。1.2 芯片的冷却技术概况 芯片冷却的目的是对芯片的运行温度进行控制(或称热控制)，以保证其工作的稳定性和可靠性。这其中涉及了与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容。从应用的角度看，常用的方法主要有:空气冷却(分为自然冷却和强制冷却)、液体冷却(有直接液体冷却和间接液体冷却等)、相变冷却、半导体制冷、热管散热、复合冷却系统等。本小节对当前应用于芯片强化散热冷却的各类技术进行了概述和优缺点对比分析。(1)空气冷却 空气冷却包括自然冷却和强制冷却。自然冷却方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的。由于其冷却成本低、可靠性高且不涉及维护问题，在空气流动路径清晰干净且畅通的情况下，广泛应用于温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及电子器件或密集组装的器件不宜(或不需要)采用其它冷却技术的情况下。 强制空气冷却方法应用极为广泛，主要是借助于风扇等器件强迫周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:增大散热面积(散热片)和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数(紊流器、喷射冲击、静电作用)。 与自然对流冷却相比，强制空气对流冷却的换热量比自然对流和辐射要大十倍左右，因此能够大大减小电子设备散热的表面积。与强制液冷、蒸发冷却相比，具有设备简单、成本低、电子元器件易于更换维修等特点，对陆用电子设备是非常合适的一种冷却方法，减少了空气冷却系统的体积;同时由于介质为空气，不必考虑冷却介质的更换及泄漏;可靠性高;便于维修。(2)液体冷却 由于液体的导热系数及比热均比空气大很多，因而可以大大减小各有关换热环节的热阻，提高冷却效率。强制液冷的热流密度可高达 45kW/cm2，且热负载均匀，温度梯度小，结构紧凑。液体冷却的优点是:可以利用较小的功率消耗达到液体的循环流动，工作噪声很小，可以利用多种方式完成散热过程。液体冷却包括:直接液体冷却和间接液体冷却(指液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统(一般是液体冷板及其辅助装置，如液冷模块(LCM)、导热模块(TCM)、喷射液冷模块(CCM)、液冷基板(LCS)等等)从发热元件传递给液体)。其缺点是系统比较复杂，体积和重量较大，设备费用高，维修较困难，同时会给电子器件的防潮带来 困难，多用于机载产品的电子设备中。 2 1 绪论(3)相变冷却 相变冷却技术是利用相变材料的相变过程作为热控制手段来达到降温的目的，其换热效率高，温度分布均匀，无局部过热点，可靠性好。基本形式有两种:一种是将电子元器件直接浸没在相变物质之中，由发热元件耗散的热量加热相变材料，使之蒸发沸腾而带走热量。另一种是将相变材料置于受控电子设备与外界环境之间，一旦电子元件所耗散的热量使材料的温度升至它的熔点时，相变材料开始融化，并吸收热量，将元件的温度控制在某一温度范围之内。(4)半导体制冷(也叫热电制冷) 半导体制冷，是利用半导体材料的 Pettier 效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。热电制冷实现了热量从低温物体到高温物体的迁移，它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动件，可靠性也比较高，主要缺点是效率较低、成本高，只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。其散热温度小于等于 100?，冷却负载小于等于 300W。(5)热管散热 热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、流动方向的可逆性、恒温特性(可控热管)和良好的环境适应性等优点，可以满足电子电气设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率等要求。但它必须有主动散热方式作为辅助，而且此被动散热方式受环境的制约(如环境温度，外部传导，空气对流等)。所以使用条件比较苛刻，需改善环境温度，使温差保持到比较大的水平上。 通过对以上冷却散热方式的比较可以获得，利用空气冷却散热器进行散热的强制对流的主动散热方式最为广泛。强制风冷的散热效果远好于自然风冷，复杂性大大低于水冷，散热工作可靠、易于维修保养、成本相对较低，所以在需要散热的电子设备冷却系统中常被采用，同时也是高功率器件采取的主要冷却形式。通常情况下，选用散热面积较大的散热器和风量较大的风机可以降低散热器到环境的热阻，提高散热效果。但散热面积的增加和风机风量的提高均受散热器的加工工艺、装置体积、重量以及噪音指标等的限制。 为此，需要一些新型的散热结构或材料来解决高热流密度电子设备中的散热问题。金属泡沫这种多孔介质结构能大大强化传热，是某些重要场合下强化换热的有效手段。高孔率通孔的金属泡沫具有很大的比表面积和良好的导热性能，而且流体流过泡沫纤维时会产生漩涡，具有复杂的三维流动，因此金属泡沫用于电子设备芯片的散热，可以使散热性能明显加强。1.3 散热材料金属泡沫的研究进展 金属泡沫应用于电子器件的散热，主要是研究金属泡沫在自然对流和强迫对流下的 3 西安科技大学硕士学位论文传热性能和产生的压力降。国内外的研究也主要是通过实验、理论计算和数值模拟围绕这些方面进行的。 国外对于金属泡沫传热特性的研究工作开展的较早，发展相对于国内也较成熟。 早期，Chou and Yang2证明了泡沫铝优越的散热性能，在空气流速为 3.6m/s 时，孔隙率为 91.4的泡沫铝的总的传热系数比传统的肋片散热器高出 25。Lee、Bastawros3采用强迫风冷的方式，也证明了金属泡沫用于电子设备散热的可行性。 4等对于同样 Seo大小的泡沫铝和肋片散热器的努塞尔数和热阻作了比较测试。 Calmidi5从理论上探讨了这种高孔隙率的多孔介质的传递机理。他的研究包括有效导热系数的计算模型、计算压降的经验公式以及散热的基础模型。研究表明:相对于肋片散热器，金属泡沫有很强的散热性能，但这是以额外的压降为代价的。为了克服这一局限性，Calmidi 等6又提出了一种金属泡沫与肋片相结合的散热器结构，这种结构综合了金属泡沫的散热优势，同时利用了肋片的延展面积，从而更有效地 增强了总的散热效果，避免了额外的压降。Bhattacharya 和 Mahajan7对在金属肋间加入金属泡沫材料的强迫对流换热问题也开展了实验研究。随后，Boomsma 等8提出了金属泡沫的一个重要的应用—紧凑式热交换器。通孔的金属泡沫可用于电子设备冷却装置的热交换器中。Zhao等9通过实验，研究了不同孔径、孔隙率的 FeCrAlY 金属泡沫样品的有效导热系数。 理论方面，Writ10提出一种综合多孔介质内传导和对流换热的半经验模型。Lu11研究了可用于高效电子设备和应用于航空上的换热器的通孔金属泡沫，基于现有的流体横掠管束的对流传热理论，他提出的分析模型中的立方体单元结构有微细的圆柱体构成，并计算了总的传热系数和压降。Calmidi 和 Mahajan12采用实验与数值模拟的方式对孔隙率在 0.89-0.97 的金属泡沫的强迫对流进行了研究。Calmidi 和 Mahajan 还对多孔金属泡沫材料对流换热性能作了理论计算。Phanikumar 和 Mahajan13也同样通过实验和数值模拟对高孔隙率的金属泡沫进行了研究。在同等的自然对流的条件下进行了实验，以此来验证金属泡沫热平衡假设模型。Boomsma K.和 Poulikakos D.14基于三维泡沫几何结构的描述，发展了通孔金属泡沫的一维热传导模型。对于金属泡沫，固体的导热系数要明显高于流体的导热系数，因此，通过增加固体相的导热系数，可以很好地提高总的有效导热系数，而固体相的导热系数可以通过改变金属泡沫的固相结构来实现。Bhattacharya 等15给出了高孔隙率金属泡沫的有效导热系数的分析解和实验结果。 Boomsma 等16还就如何对金属泡沫材料进行数值模拟进行了研究，介绍了一种对待定多孔介质结构中流动情况建模.