金属泡沫填充式电子器件散热器换热特性实验研究1

西安科技大学硕士学位论文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：安全技术及工程指导教师：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，高性能工程材料的设计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，比表面积大，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:ExperimentalResearchofHeatTransferCharacteristicsMetalFoam-filledRadiator-typeElectronicDevicesSpecialty:SafetyTechnologyandEngineeringName:QinJiangtao（Signature）Instructor:ZhaoJianhui（Signature）ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofindustrialequipmentandaerospacetechnology，designandpreparationofhigh-performanceengineeringmaterialsbecomemoreimportant.AsanewkindofUltra-lightCellularMaterials,metalfoamcanbeusedincompactheatexchangersforairborneequipments,heatsinksforpowerelectronicsinthethermalmanagementduetoitspredominateperformance，suchaslow-density,largesurfaceareainalimitedvolume，highthermalconductivityofthecelledgesandtheabilitytomixthecoolingfluidbypromotingeddies.Asthedevelopmentoftheelectronicequipmenttowardintegrationandminiaturizationandtheincreasingofthepowerdensity,thermalmanagementbecomesoneofleadingproblemsthatlimitthedevelopmentoftheelectronicequipment.Itisdesiredtodevelopelectronicequipmentswithabetterthermalstructureandinternalflowfieldwhichcanimprovetheheatdissipationcapability，reducetheimportantcomponent’temperatureandincreasethestabilityandlife.Thispaperdesignsandbuiltametalfoamusedinelectroniccoolingradiatorperformancetestresearchsystems,theairflowthroughthemetalfoamheatsinktoconductanexperimentalstudyofconvectiveheattransfer,thestudyofmetalfoamasthefoamporosity30ppicopper,30ppifoamcopper-nickeland70ppiofnickelfoam.Theeffectsofdifferentairvelocity,thesameholedensityfoamfilledwithmetalpiecesofelectronicradiatorcoolingperformance.Researchtheresultsshowed:Asthevelocityincreases,theairflowingthroughthemetalfoamheatsinkpieceofelectronicheatcapacityoftheconvectionincreases,whileincreaseinfriction,theaverageconvectiveheattransfercoefficientincreases,thepoweronthestrengthofconvectiveheattransferissmall;70ppimetalnickelfoamfilledelectricradiatorparts,becauseofitslargesurfacearea.soinstantaneousheatdissipationstateheatbetterthan30ppimetalfoammetalliccopperandmetalfoamnickelcoppernickel-filledelectricradiatorparts;agivenflowrate,dueto30ppicopperandcopper-nickelapertureofthepressuredropismuchlessthan70ppimetalfoamnickel;asthesameresistance70ppimetalfoam-filledradiatorcoolingperformanceas30ppimetalfoamheatsink;30ppiandthermalconductivityofcoppermetalfoammetallicfoamisbetterthan30ppicopperandnickel;Thecomparativeanalysis,30ppimetalfoamheatsinkwithagoodoverallperformance.Keywords:MetalfoamExperimentalstudyElectronicradiatorpartsHeattransfercharacteristicThesis:Applicationresearch符号表1符号表符号含义单位A散热器面积2mb、h矩形截面的长和宽mC、m、n散热准则数系数和指数pc流体介质的比热容()JkgK⋅ed非圆形通道当量直径mE消耗单位泵功率所得的热效率QE热流JKf、0f阻力系数cH、hH单位冷、热流体的焓JkgrI流动阻力引起的损JKK总传热系数2()WmK⋅l实验段测压孔间距mN冷、热流体在散热器中流动所必需的泵功WsN熵产单元数Nu、0Nu努塞尔数P湿周mpΔ实验段压降2mmHOPEC性能评价指标符号表2Pr普朗特数Q散热器的换热量Wq内热源强度3()Wms⋅,mcq、,mhq冷、热流体的质量流量kgsR通道流通道半径mRe雷诺数SΔ熵增JKT流体中的温度分布0C1T、2T热流体进出、口温度0C1t、2t冷流体进出、口温度0CmtΔ对数平均温差0Cft流体定性温度0CU流体的速度矢量msu、v、wx、y和z方向的速度分量msv管内流体平均流速mssY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mtδ热边界层的厚度mEδ相对误差符号表3ε孔隙率ζ换热量提高率eη效率tη换热器的热效率k流体介质的导热系数()WmK⋅λ散热面壁面导热系数()WmK⋅μ流体黏度Pas⋅ρ流体介质的密度3kgmσ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。1绪论11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高温低温/TΔ℃高低温失效比值晶体管160℃时0.06440℃时0.00081208：1玻璃陶瓷电容125℃时0.02940℃时0.00098532：1变压器和线圈85℃时0.026740℃时0.00024527：1电阻（碳膜电阻）90℃时0.006340℃时0.00025031：1集成电路芯片90℃时0.5140℃时0.0068507.5：1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，西安科技大学硕士学位论文2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