（工程熱物理專業(yè)論文）微電子芯片冷卻的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.pdfVIP

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片功率密度不斷上升，芯片的耗能和散熱已 經(jīng)成為限制微電子技術(shù)發(fā)展的瓶頸，對(duì)微電子芯片冷卻技術(shù)的需求上升到前所未 有的程度。因此，對(duì)高性能冷卻技術(shù)的研究具有十分重要的意義。 本論文探索了兩種微電子設(shè)備的冷卻技術(shù)。一種是液體射流沖擊冷卻，它是 利用流體垂直向表面進(jìn)行高速?zèng)_擊，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的換熱效果；另一種是真空制 冷冷卻，它是利用抽真空降壓而使液體相變蒸發(fā)而獲得制冷。上述兩種技術(shù)已經(jīng) 運(yùn)用在許多工程領(lǐng)域，在微電子設(shè)備的冷卻上也具有廣闊的前景。 本論文進(jìn)行了以下3 方面的工作： 1 、設(shè)計(jì)了一個(gè)有限空間的浸沒射流裝置，建立了接近實(shí)際應(yīng)用的圓形浸沒射 流系統(tǒng)，利用浸沒射流對(duì)c p u 芯片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)研究。為了進(jìn)一步研究射 流強(qiáng)化傳熱的規(guī)律，針對(duì)自主設(shè)計(jì)的浸沒射流裝置建立三維湍流數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用 f l u e n t 軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，增大射流速度、降低射流進(jìn)口 的溫度都有利于提高沖擊面平均換熱系數(shù)，降低芯片表面溫度；噴射間距對(duì)沖擊 面平均換熱及芯片表面溫度無明顯影響；在相同的射流速度下，增大噴嘴直徑有 利于提高沖擊面換熱系數(shù)，且換熱系數(shù)分布更加均勻；在相同的射流流量下，減 小噴嘴直徑有利于提高沖擊面平均換熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)值和模擬值基本吻合。 2 、白行研制了結(jié)合微小矩形槽道的浸沒射流裝置，對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)化換熱的實(shí) 驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)和模擬都發(fā)現(xiàn)，結(jié)合微小槽道的射流裝置具有更佳的換 熱效果；矩形槽道的截面尺寸越小，其換熱效果越佳。 3 、利用真空制冷對(duì)模擬c p u 芯片的冷卻進(jìn)行了探索研究。建立了液體真空 制冷的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到了液體溫度隨時(shí)間的變換函數(shù)；建立了利 用真空制冷冷卻芯片的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)果表明，利用真空制冷對(duì)芯片進(jìn)行冷卻具有 一定的可行性；增大蒸發(fā)器底板導(dǎo)熱系數(shù)、減小水與底板之間的換熱熱阻以及采 用加肋底板都有助于提高換熱效率降低芯片表面溫度。 關(guān)鍵詞：微電子芯片，射流冷卻，強(qiáng)化傳熱，數(shù)值模擬，真空制冷 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em i c r o - e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o rh i g h p e r f o r m a n c ec o o l i n gt e c h n o l o g yh a sr e s u l t e di nh i g h e rp o w e rd e n s i t i e sa sw e l la s d e m a n do fc h i pc o o l i n g t h u s ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt oe x p l o r et h em i c r o e l e c t r o n i c c o o l i n gt e c h n o l o g y t w ok i n d so fc o o l i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e ns t u d i e di n t h i s p a p e r o n ei st h e i m p i n g e m e n tj e tc o o l i n g ，w h i c hg e n e r a t e sah i g hh e a tt r a n s f e rr a t eb yi m p i n g i n g v e r t i c a l l ya n dq u i c k l yo ns u r f a c ew i t hw a t e r ；a n o t h e ri st h ev a c u u mc o o l i n g ，w h i c h g e n e r a t e sc o o l i n ge f f e c tb ye v a p o r a t i n gw i t hv a c u u m i n g b o t ho ft h ec o o l i n gt e c h n o l o g y , w h i c ha r eu s e di nm a n ye n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，h a v eaw i d e l yo u t l o o ko fa p p l i c a t i o n i nm i c r o e l e c t r o n i cc h i pc o o l i n g t h i sp a p e ri n c l u d e s3w o r k sa sf o l l o w i n g ： 1 i nt h i s p a p e r , ac o n f i n e da n ds u b m e r g e dj e ti m p i n g e m e n td e v i c eh a sb e e n d e s i g n e d i no r d e rt os t u d ye n h a n c e dh e a tt r a n s f e rf o rm i c r o e l e c t r o n i cc h i pc o o l i n g ，a r e a lj e ti m p i n g e m e n t e x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d f o rt h ef u r t h e rs t u d yo f h e a tt r a n s f e ro nj e t i m p i n g e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc o n d u c t e dw i t h f l u e n t b ye s t a b l i s h i n ga3 一dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ei m p i n g e m e n td e v i c e t h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t et h a ta sj e tv e l o c i t y i n c r e a s e s ，t e m p e r a t u r e o f j e td e c r e a s e s ，a v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to n i m p i n g e m e n t s u r f a c ei n c r e a s e sw h i l et h e s u r f a c e t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s ；a s n o z z l e - t o - s u r f a c ed i s t a n c ei n c r e a s e s ，s u r f a c et e m p e r a t u r ea n da v e r a g eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tr e m a i nc o n s t a n t ；a sn o z z l ed i a m e t e ri n c r e a s e sw h i l eo t h e r sr e m a i nc o n s t a n t ， a v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa n di t sd i s t r i b u t i o nb e c o m e sm o r eu n i f o r m ；a s n o z z l ed i a m e t e rd e c r e a s e s ，w h i l et h ej e tf l o wm a s sr e m a i n sc o n s t a n t ，a v e r a g eh e a t t r a n s f e rc o e 螄c i e n ti n c r e a s e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei n g o o da g r e e m e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lt e s t 2 a n o t h e rj e ti m p i n g e m e n td e v i c ec o m b i n e dw i t hr e c t a n g l em i c r o c h a n n e lh a s b e e nd e s i g n e dt oc o n d u c te x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe n h a n c e d h e a tt r a n s f e rf o rm i c r o e l e c t r o n i cc h i pc o o l i n g i ti sc o n c l u d e dt h a tt h i sk i n do fd e v i c e h a sh i g h e rh e a tt r a n s f e rr a t ec o m p a r e dt of o r m e r l yd e v i c e ，a n dt h es m a l l e rt h es e c t i o n d i m e n s i o no fr e c t a n g l ec h a n n e li s ，t h eb e t t e rt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei s 3 t h ei n v e s t i g a t i o no fv a c u u mc o o l i n gf o rm i c r o e l e c t r o n i cc h i pi sc o n d u c t e di n t h i sp a p e r am a t h e m a t i c a lm o d e lo fv a c u u mc o o l i n g p r o c e s si sd e v e l o p e dt od e d u c ea 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 f u n c t i o no ft e m p e r a m r ee v o l u t i o nw i t ht i m e a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fv a c u u n lc o o l i n g f o rm i c r o e l e c t r o n i cc h i pi sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et oc o o l m i c r o d e c t k i i l i cc h i pb yv a c u u mp u m p i n g e n h a n c i n gt h eh e a tc o n d u c t i o nc o e f f i c i e n to f e v a p o r a t o rb o t t o m ，r e d u c i n gt h e r m a lr e s i s t a n c eb e t w e e nw a t e ra n de v a p o r a t o rb o t t o m ， a n du s i n gf i n sc a ni m p r o v et h eh e a tt r a n s f e rr a t ea n dr e d u c et h ec h i ps u r f a c e t e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：m i c r o e l e c t r o n i cc h i p ，j e ti m p i n g e m e n t ，e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，v a c u u mc o o l i n g h i 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密菌。 學(xué)位論文作者簽名：瓠夠l 餓 砷年移月l 日 指導(dǎo)教師簽名：蓉左整 沙7 年6 月日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論 文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：敲夠1f 裂 日期：岬年6 月ze t 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 微電子冷卻技術(shù)的研究意義 在微電子設(shè)備中，相當(dāng)一部分功率損耗轉(zhuǎn)化為熱的形式，因此任何具有定 電阻的微電子元器件對(duì)于運(yùn)行中的微電子設(shè)備而言都是一個(gè)內(nèi)部生熱源。元器件 的耗散生熱會(huì)直接導(dǎo)致微電子設(shè)備溫度的升高和熱應(yīng)力的增加，從而導(dǎo)致元器件、 電路板、組件及設(shè)備在較高的溫度下不能可靠地工作，甚至縮短其工作壽命，即 產(chǎn)生所謂的“熱致失效”。 隨著微電子設(shè)備中元器件的集成度和耗散功率的日益提高，“熱致失效”已 經(jīng)成為微電子設(shè)備最主要的失效形式之一，對(duì)微電子設(shè)備的工作可靠性造成嚴(yán)重 威脅，成為微電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的瓶頸。目前，微電子設(shè)備熱負(fù)荷水平的升高主要 來自三個(gè)方面【l l ： ( 1 ) 隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子器件的封裝密度得到了迅速提高。 研究表明，芯片級(jí)的熱流密度已經(jīng)高達(dá)l o o w c m 2 。 ( 2 ) 隨著元器件集成度的提高，熱量集中，微電子設(shè)備局部溫度過高，導(dǎo)致 微電子元器件工作于高溫環(huán)境下而失效。 ( 3 ) 微電子設(shè)備的使用范圍日益廣泛，使用環(huán)境變化很大，微電子設(shè)備往往 處于環(huán)境溫度高，溫差變化大，條件苛刻的條件下，從而導(dǎo)致微電子元器件的工 作性能及穩(wěn)定性大大降低。 隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子芯片的應(yīng)用遍及日常生活、生產(chǎn)乃至國 家安全的各個(gè)層面，在現(xiàn)代文明中扮演著極其重要的角色。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算 速度以驚人的速率增長(zhǎng)，與此對(duì)應(yīng)的是計(jì)算機(jī)芯片的集成度越來越高，芯片尺寸 越來越小，時(shí)鐘頻率越來越大，芯片功率與功率密度也急劇增加。1 9 7 1 年i n t e l 公司 生產(chǎn)的第一個(gè)芯片只含2 3 0 0 個(gè)晶體管，而如今在一枚i n t e l 奔騰4 芯片上，就集成有 4 2 0 0 萬個(gè)晶體管。根據(jù)著名的“摩爾定律”推算：芯片上的晶體管每1 8 個(gè)月翻 番，那么到2 0 1 0 年，芯片上晶體管的數(shù)量將超過1 0 億。高集成度對(duì)于計(jì)算機(jī)性能 的升級(jí)是有利的。然而，由此帶來的問題是，芯片耗能和散熱問題也凸現(xiàn)出來 芯片集成度的提高，受到了微電子元器件發(fā)熱而引起的熱障的限制。因此，隨著 微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，更使得對(duì)高性能冷卻技術(shù)的需求提到了前所未有的層面。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 叫 脅h 愀硼 l 尹弋， l 酬：- - 魚f = ：蘭習(xí) r 、蜃7- j 飛 旱：絲筍訂 呼釬l 拍張 圖i - i1 n t c lc p u 功翠功耗隨年代的增長(zhǎng)圖 為了及時(shí)把c p u 的熱量傳到環(huán)境空間，幾乎所有的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都安置了利用 熱沉與風(fēng)扇組合為一體的風(fēng)冷散熱裝置，如圖1 2 。風(fēng)冷散熱裝置的原理為：c p u 發(fā)出的熱量首先由熱沉下部的熱擴(kuò)散器吸收并通過熱傳導(dǎo)傳給上部密排的肋片， 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣吹向肋片，利用對(duì)流將熱量帶走。熱量將首先滯留在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi) 部，然后緩慢傳到外部環(huán)境空間。隨著c p u 速度的提高，芯片發(fā)熱量越來越大， 要求更強(qiáng)的空氣流動(dòng)散熱。由于風(fēng)扇功率的增加，噪音愈來愈大，許多高性能c p u 需要風(fēng)扇轉(zhuǎn)速超過7 0 0 0 r p m ，從而產(chǎn)生大于6 0 分貝噪音。因此風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)不能 適應(yīng)更快速度的c p u 散熱要求，必須求助于新的解決方案，即需要更高的冷卻功 率的冷卻方式，實(shí)現(xiàn)高通量密度熱量的轉(zhuǎn)移。 圖i - 2 目前最常用的計(jì)算機(jī)芯片散熱設(shè)備 1 2 微電子芯片冷卻技術(shù)簡(jiǎn)介 除了常規(guī)的風(fēng)冷冷卻之外，微電子芯片冷卻技術(shù)包括液冷冷卻、固體制冷冷 卻和氣體制冷冷卻等三大類。液冷冷卻技術(shù)主要有直接液冷冷卻、霧化噴射液冷 冷卻、熱管冷卻、微槽道冷卻、射流冷卻等技術(shù)，固體制冷冷卻主要為半導(dǎo)體制 冷冷卻技術(shù)和熱電離子冷卻等技術(shù)，氣體制冷冷卻主要有合成微噴冷卻、熱聲冷 2 一邕蕾盡看整 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 卻和氣體節(jié)流制冷等技術(shù)。以下著重討論一些典型的芯片冷卻技術(shù)。 ( a ) 直接液冷冷卻 目前直接液冷冷卻是最常用的一種液冷方式，如圖1 3 。其工作原理：液體 驅(qū)動(dòng)泵使液體循環(huán)通過一個(gè)貼在芯片上的吸熱塊( 熱沉) ，當(dāng)液體流過吸熱塊， 熱量從發(fā)熱的芯片傳到較冷的液體，受熱液體然后流到機(jī)箱一側(cè)的散熱器，利用 風(fēng)扇強(qiáng)迫空氣流過散熱器，將熱量傳到外部的環(huán)境中。冷卻后的液體再重新流回 到c p u 吸熱塊，繼續(xù)上述過程。目前國內(nèi)外生產(chǎn)直接液冷系統(tǒng)的主要廠商如 s w i f r e c h 、k o o l a n c e 、a h a n i x 和奧柯瑪都具有其獨(dú)特設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)并且 在該領(lǐng)域不斷地進(jìn)行技術(shù)投入與開發(fā)。 圖1 - 3 直接液冷冷卻示意圖及實(shí)際圖 ( b ) 霧化噴射液冷冷卻 霧化噴射冷卻是液體通過霧化噴管借助高壓氣體( 氣體噴射) 或是依賴本身 的壓力( 壓力噴射) ，使液體霧化，強(qiáng)制噴射到物體表面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體有效冷卻 的技術(shù)，如圖1 4 。由于霧化噴射冷卻靠霧滴沸騰相變，釋放熱量靠冷凝相變， 所以它是一種非常有前景的高熱流強(qiáng)制冷卻技術(shù)。因其具有換熱效率高且冷卻均 勻的特點(diǎn)，適用于一些對(duì)溫度要求很嚴(yán)格的領(lǐng)域，如微電子、激光技術(shù)、國防、 航天技術(shù)領(lǐng)域。該技術(shù)耳i ； 還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。 圖1 - 4 噴霧蒸發(fā)冷卻示意圖 3 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( c ) 熱管冷卻 熱管是一種利用相變來快速傳遞熱量的元件，典型的熱管由管殼、吸液芯和 端蓋組成。其基本原理為嘲：當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)，毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸 汽在微小壓差作用下流向另一端，釋放熱量并凝結(jié)成為液體，此后，液體再沿多 孔材料靠毛細(xì)力的作用返回蒸發(fā)段，如圖1 5 。如此循環(huán)不已，即將熱量由熱管 的一端輸運(yùn)至另一端。熱管技術(shù)在航空航天及核工業(yè)中的許多場(chǎng)合有重要應(yīng)用。 由于其導(dǎo)熱性能高( 超過銅1 0 0 倍以上) ，并能遠(yuǎn)距離傳遞熱量，適合于狹小空間 中高熱量的排放，在筆記本電腦c p u 的散熱方面已得到應(yīng)用。 l ；l 1 f l b l h 一2 h 一3 叫 隰漤礤強(qiáng)焱落蕊甾醞臻躐淘 、4 76 ，、： 函毽竣簸辮舅窘?？６泱炭吡?檔管工作原理 1 蒸發(fā)段；2 絕搏段；3 凝結(jié)段； 4 管蒼；5 ，工作暖；蒸汽 圖1 - 5 熱管工作原理及其與散熱器的組合 由于微型熱管液體循環(huán)多采用毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)，無需動(dòng)力源，這種循環(huán)方式也稱 之為毛細(xì)抽吸循環(huán)( c p l - - c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) ，如圖1 6 所示。c p l 的核心 是蒸發(fā)器( 毛細(xì)泵) ，根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以分為干道式熱管芯結(jié)構(gòu)和反向式毛 細(xì)芯結(jié)構(gòu)兩種。目前反向式毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)用的較多，其結(jié)構(gòu)如圖1 6 所示。進(jìn)入蒸 發(fā)器的液體經(jīng)毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力抽至管壁與芯接觸面處蒸發(fā)，經(jīng)壁面上軸向蒸 汽通道流出蒸發(fā)器，從而通過內(nèi)部工質(zhì)的蒸發(fā)將加于蒸發(fā)器的熱量帶走。 儲(chǔ)液囂 i 虱i - 6 反向毛細(xì)泵( c p l ) 系統(tǒng)及毛細(xì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖【3 l 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( d ) 微槽道冷卻 八十年代，美國學(xué)二w r u c k e r m a n 和p e a s e n 最先報(bào)道了一種微槽道冷卻結(jié)構(gòu)，如 圖1 7 ，它由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料構(gòu)成，他們的實(shí)驗(yàn)表明微槽道冷卻具有很高 的傳熱系數(shù)( 7 9 0 w c r n 2 ) 。在過去的二十年里，許多學(xué)者對(duì)微槽道傳熱進(jìn)行了研 究。在芯片冷卻應(yīng)用上，微槽道冷卻結(jié)構(gòu)作為高效緊湊型換熱器或冷卻裝置極具 優(yōu)勢(shì)。特別是，集成化的散熱器件通過微加工技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，因而有望成為下一 代散熱器的主流之一。盡管微槽道尺寸會(huì)增加散熱能力，但也有壓力降升高的問 題，會(huì)增加微槽道的沿程壓力損失及所需加壓泵的出口壓。 圖1 7 微槽道液冷散熱示意圖圖l - 8 由電滲析泵驅(qū)動(dòng)的微槽道液冷散熱示意圖 斯坦福大學(xué)的y a o l s j 等人同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液體電滲驅(qū)動(dòng)的微槽道冷卻循環(huán)，如圖1 8 ，電滲泵無運(yùn)動(dòng)部件，提供的壓差大，可以使用低濃度水溶液作冷卻液，且耗 能小，因而比較適合用于芯片的冷卻。他們的實(shí)驗(yàn)表明，采用這種微槽道冷卻方 式，其冷卻熱流可達(dá)到1 0 0w c m 2 ，最大熱流功率達(dá)到1 3 0 w 。 ( e ) 熱電制冷冷卻【q 熱電制冷技術(shù)是基于p e l t i e r 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。其基本原理為：在兩種不同金屬組成 的閉合線路中，若通以直流電，就會(huì)使一個(gè)節(jié)點(diǎn)變冷而另一節(jié)點(diǎn)變熱，這種現(xiàn)象 稱之為p e l f i e r 效應(yīng)，亦稱溫差電效應(yīng)。這是一種固體制冷技術(shù)，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊 規(guī)整的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是效率低、制冷量小。由于半導(dǎo)體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其 溫差電效應(yīng)較之其它金屬顯著得多。一個(gè)熱電制冷結(jié)構(gòu)如圖1 9 所示。若干個(gè)這 樣的熱電結(jié)構(gòu)對(duì)在電路上串聯(lián)起來，在傳熱方面并聯(lián)就構(gòu)成一個(gè)常見的熱電制冷 組件( 熱電堆) 如圖1 1 0 。借助于熱交換器等各種傳熱元件使熱電制冷組件的熱 端不斷散熱，并保持一定的溫度，把冷端放到微電子芯片的表面，并使微電子芯 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 片也保持一定的低于環(huán)境溫度。 幺 冷螭 熬麓 p 嫩電霸曩 辯獺電魏鋒 鬟鹺壤聱 圖1 - 9 熱電制冷結(jié)構(gòu)原理圖圖1 1 0 熱電堆制冷結(jié)構(gòu)示意圖 ( f ) 合成微噴冷卻【7 】 合成微噴是由c b c 等人首次提出并實(shí)現(xiàn)的一種微流體器件，其原理如圖1 1 1 所 示。相應(yīng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)腔體和一個(gè)驅(qū)動(dòng)膜片構(gòu)成。工質(zhì)一般采用氣 體，由電磁力或壓電驅(qū)動(dòng)膜片上下振動(dòng)，振動(dòng)頻率在1 0 0 到2 0 0 赫茲之間，氣體工 質(zhì)因腔內(nèi)壓力的變化而發(fā)生吸進(jìn)或噴出，從而在孔外形成連續(xù)的射流場(chǎng)。主流區(qū) 的最大噴射速度可達(dá)3 0 n 埔。合成微噴的冷卻效率之所以能提高，原因在于它能有 效地破壞熱邊界層，從而更好的使周圍冷卻氣體與邊界層氣體混合，最終大大提 高壁面換熱系數(shù)。合成微噴在芯片冷卻方面特別是便攜式電子產(chǎn)品的散熱方面將 有很廣闊的應(yīng)用前景。 y ( a )( b ) i g i i - - 1 1 ( a ) 合成微噴的結(jié)構(gòu)示意圖；( b ) 合成微噴的流場(chǎng)示意酬7 1 ( g ) 射流沖擊冷卻 射流沖擊冷卻方式采用流體垂直于芯片表面進(jìn)行噴射，是一種強(qiáng)化對(duì)流換熱 方式。由于流體高速?zèng)_擊，使得被沖擊表面溫度邊界層變薄，溫度梯度大，從而 加大了換熱速率，使受沖擊區(qū)域產(chǎn)生很強(qiáng)的換熱效果。作為一種新型的冷卻方式 6 臺(tái) 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 已應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。二十世紀(jì)七十年代，氣體射流沖擊冷卻方式用于 i b m - 4 3 8 1 大型計(jì)算機(jī)嘲，如圖1 1 1 所示。由于氣體射流沖擊的傳熱能力已難于滿 足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展所帶來的高熱流密度的散熱要求，因此，使用液體作為冷卻工質(zhì) 已成為必要。1 9 8 3 年，日本f u j i s u 在其m - 7 8 0 計(jì)算機(jī)上首先采用了單束圓形水射流 沖擊的間接冷卻方式唧，其冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1 1 2 。這種間接液體冷卻方式存在 這固體一一固體界面處的熱阻，影響了散熱能力，而用電介質(zhì)液體與微電子芯片 直接接觸，通過自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流或者相變傳熱可極大地提高芯片的冷卻效率。 八十年代中期，直接液體冷卻已經(jīng)用于美國克雷一2 型超級(jí)計(jì)算機(jī)【l o l 。 目前高端微電子設(shè)備的某些高熱流元件熱流密度已經(jīng)超過1 0 3 w c m 2 【7 】，而芯片 性能受溫度影響極為敏感，通常要求工作溫度低于8 5 ，一般商用機(jī)芯片溫度要 求低于6 5 甚至5 5 。據(jù)報(bào)道，溫度每升高2 ，芯片可靠性便下降1 0 ，故障率 大大增加。在尋求有效的冷卻措施的過程中，液體沖擊射流冷卻因其極高的傳熱 效率而受到廣泛關(guān)注。 圖1 1 1 氣體射流沖擊冷卻方式應(yīng)用于i b m - 4 3 8 1 大型計(jì)算機(jī) 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 1 2 單束圓形水射流沖擊的冷卻方式應(yīng)用于m - 7 8 0 計(jì)算機(jī) 1 3 沖擊射流冷卻微電子芯片的傳熱實(shí)驗(yàn)研究 由于射流在強(qiáng)化換熱方面有著重要的作用，近年來受到工程學(xué)術(shù)界的特別重 視，成為傳熱學(xué)的熱門課題。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)射流冷卻做了大量的實(shí) 驗(yàn)研究【1 1 1 2 1 3 】。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，射流沖擊換熱效率跟諸多因素有關(guān)，如射 流出i z l r e 數(shù)、噴嘴至沖擊面的距離( w d ) 、噴嘴形狀及幾何尺寸、被沖擊表面形 態(tài)、陣列射流等。研究手段日益多樣，研究范圍不斷擴(kuò)展，從單個(gè)噴嘴到多個(gè)噴 嘴，從二維平面射流轉(zhuǎn)向三維射流，從單一的試驗(yàn)研究發(fā)展到試驗(yàn)研究與數(shù)值計(jì) 算相結(jié)合。 一 j a m b u n a t h a n 1 4 】等對(duì)圓形湍流射流進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，詳細(xì)分析了在不同 雷諾數(shù)( 5 0 0 0 - - 1 2 4 0 0 0 ) 、不同噴射間距( h ，d = 1 2 1 6 ) 及不同徑向位置處( d = 0 - - 6 ) 的換熱系數(shù)，并得到了努塞爾數(shù)n n 的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。c o l u c c i 和v i s k a n t a t l l 】 實(shí)驗(yàn)研究了不同噴距、不同雷諾數(shù)和兩種不同噴嘴幾何尺寸對(duì)空氣射流的局部換 熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在較大噴射間距下，局部換熱系數(shù)與噴嘴幾何尺寸無關(guān)，局 部換熱系數(shù)在駐點(diǎn)處最大，并隨徑向半徑增大而減小，當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，局部換 熱系數(shù)也增加。c h i n 1 5 l 等對(duì)浸沒限制射流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在大空間出口不受限 制條件下，分別用空氣、水及f g 7 7 為工質(zhì)，得到了駐點(diǎn)及平均換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān) 聯(lián)式；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的噴嘴直徑下，徑向半徑增大，局部換熱系數(shù)降低，而 雷諾數(shù)增加時(shí)，局部換熱系數(shù)增加；在相同雷諾數(shù)下，隨著噴嘴直徑的增大，局 部換熱系數(shù)分布更加均勻，而射流速度越大，孔徑越小，在駐點(diǎn)處的換熱系數(shù)越 大；平均換熱努塞爾數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加，但噴射間距對(duì)平均換熱系數(shù)無 8 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 明顯影響。秦到1 0 l 等以最新微電子設(shè)備冷卻劑f c - 7 2 為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了自由和浸 沒情況下，圓形射流沖擊5 m m x 5 m 模擬微電子芯片的局部對(duì)流情況，測(cè)定了駐點(diǎn) 及徑向換熱系數(shù)的分布，討論了雷諾數(shù)、噴嘴間距對(duì)換熱及其分布的影響。 現(xiàn)將射流換熱的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果歸納如下： ( 1 ) 射流出口的r e 數(shù) 射流出e i r e 數(shù)對(duì)駐點(diǎn)換熱有著非常大的影響。大量的實(shí)驗(yàn)表明，射流r c 數(shù)增 加，即出口速度增加，導(dǎo)致駐點(diǎn)處邊界層變薄，駐點(diǎn)的換熱明顯加強(qiáng)。無論是自 由射流還是浸沒射流，大量的理論和實(shí)踐研究結(jié)果表明駐點(diǎn)換熱系數(shù)計(jì)算公式具 有以下的形式： n u - c r e ”p r 4 關(guān)于p r 數(shù)的影響，文獻(xiàn)【1 6 1 分析指出：當(dāng)0 1 5 p r 3 時(shí)，n 取0 4 ；當(dāng)p r 3 時(shí)，n 取1 3 。 ( 2 ) 噴嘴至沖擊面的距離( 蛐d ) 實(shí)驗(yàn)研究表明，噴嘴至沖擊面的距離對(duì)沖擊面上局部換熱系數(shù)有著重要的影 響。它不僅影響射流沖擊的換熱系數(shù)的大小，也影響換熱系數(shù)的徑向分布。 b c h n i a 1 7 1 總結(jié)了前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，對(duì)于液體浸沒射流沖擊換熱，當(dāng)噴射 間距較大( h d = 6 ) 時(shí)，換熱系數(shù)的局部分布基本呈鐘形，即在駐點(diǎn)處出現(xiàn)最大值， 然后沿徑向距離的增大而逐漸減??；但是當(dāng)噴射間距較d , ( i - i d = 1 ) 時(shí)，換熱系數(shù)的 徑向分布并非單調(diào)下降，而是出現(xiàn)了換熱的雙峰值。h o o g e n d o o m 1 s 和l y t l e l l 9 1 在實(shí) 驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在小噴距、高r e 條件下，沖擊表面的換熱系數(shù)的分布存在雙峰值現(xiàn)象， 即存在非單調(diào)變化趨勢(shì)。在r d = 0 5 左右和r d = 1 5 左右處出現(xiàn)換熱系數(shù)的雙峰值， 且隨著h d 的減小，第二峰值逐漸向外移動(dòng)，數(shù)值也逐漸變大閉。第一個(gè)換熱系數(shù) 峰值的出現(xiàn)，通常認(rèn)為是在高速流體沖擊下，邊界層變的很薄，導(dǎo)致了換熱系數(shù) 變的很大；第二個(gè)換熱系數(shù)峰值的大小和位置取決于射流出n r e 數(shù)、噴嘴至沖擊 面的距離及噴嘴的幾何尺寸等因素，通常認(rèn)為流體沿徑向向外流動(dòng)時(shí)邊界層由層 流向紊流轉(zhuǎn)變而引起的【1 9 1 。 ( 3 ) 噴嘴形狀和幾何尺寸 噴嘴結(jié)構(gòu)直接決定了射流出口速度梯度的大小和分布。通過對(duì)管狀噴嘴和孔 型噴嘴的噴射換熱研究，p o p i e l l 螄j s t e v e n s 2 1 】發(fā)現(xiàn)，孔型噴嘴的射流紊流度較大， 導(dǎo)致射流沖擊的傳質(zhì)率比管狀噴嘴高4 0 ，換熱系數(shù)也高4 0 。對(duì)于噴嘴幾何尺寸 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 的影響，s t e v e n s 2 1 】認(rèn)為，由于噴嘴直徑影響速度梯度，從而影響換熱，同一r c 數(shù) 下，噴嘴直徑越大，駐點(diǎn)處換熱系數(shù)也越大；c h i n l l 5 】認(rèn)為在相同雷諾數(shù)下，隨著 噴嘴直徑的增大，局部換熱系數(shù)分布更加均勻，而射流速度越大，孔徑越小，在 駐點(diǎn)處的換熱系數(shù)越大。g a r i m e l l a 2 2 1 用f c - 7 7 為工質(zhì)，系統(tǒng)地研究了噴嘴結(jié)構(gòu)和尺 寸對(duì)沖擊射流換熱的影響，并得到考慮噴嘴尺寸的駐點(diǎn)換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。 ( 4 ) 入射角 大部分射流沖擊換熱都是研究法向沖擊換熱面的情況。然而以一定的射流角 度傾斜沖擊加熱面時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨傾斜度的增加，駐點(diǎn)處換熱系數(shù)的最大值降低，而 且出現(xiàn)最大值的位置從幾何駐點(diǎn)向下游移動(dòng)嘲。 ( 5 ) 被沖擊表面形態(tài) 。 g a b m l r i 瑚用水射流研究了壁面粗糙度對(duì)液體射流駐點(diǎn)換熱的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同 一直徑的射流換熱系數(shù)隨壁面粗糙度的增大而增大，壁面粗糙度的影響受到r e 數(shù)和 射流直徑的約束。對(duì)于凹面而言，曲率越大，滯止區(qū)的傳熱系數(shù)減小，但由于增大 了表面積，總的傳熱量卻比平面的有所增大，對(duì)于小的h d 而言，更是如此圈。 ( 6 ) 陣列射流的影響 為了提高整個(gè)芯片表面平均換熱系數(shù)，使芯片表面的溫度分布更均勻，許多 學(xué)者對(duì)陣列射流做了實(shí)驗(yàn)研究，并總結(jié)了相關(guān)的換熱關(guān)聯(lián)式。 j j j i 和d a g 孤嗍得到了自由表面射流的平均換熱脅。數(shù)的關(guān)聯(lián)式： 瓦3 8 4 r e ：p r 弧0 0 8 l n4 - 1 1 。 【dj p a n 和w e b b 2 7 得到了自由表面射流的平均換熱 數(shù)的關(guān)聯(lián)式： 21 n u j - 0 2 2 5 r e 3p r 3p o 。o 蛄p ，4 ) 1 4 沖擊射流冷卻微電子芯片的傳熱數(shù)值研究 由于沖擊射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一些傳熱機(jī)理和現(xiàn)象仍未得到合理的解釋， 且由于實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)量手段的不同，不同實(shí)驗(yàn)人員會(huì)得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了 進(jìn)一步研究射流流動(dòng)和傳熱過程，許多學(xué)者對(duì)射流流動(dòng)與換熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 目前沖擊射流數(shù)值模擬的研究主要集中在2 個(gè)方面：一是通過試驗(yàn)對(duì)比研究， 探索合適的湍流模型來有效地模擬沖擊射流，提高對(duì)沖擊射流模擬的準(zhǔn)確度；二 是通過數(shù)值計(jì)算，并結(jié)合試驗(yàn)研究，分析沖擊射流的換熱特性及各種因素的影響 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 作用。 ( 1 ) 射流湍流模型的探索 c r a f 0 1 3 】等用四種湍流模型預(yù)測(cè)了沖擊射流滯止點(diǎn)附近的流動(dòng)和傳熱特性，評(píng) 價(jià)了四種模型的預(yù)測(cè)能力，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的比較表明：低雷諾k - e 模型對(duì)滯止點(diǎn)附近 的湍動(dòng)能預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)高于測(cè)量值，法向脈動(dòng)速度的均方根高達(dá)實(shí)驗(yàn)值的4 倍。 i - i e y e d c h s 蝴k - ( 旋渦脈動(dòng)頻率) 模型和采用壁面函數(shù)以及低r c 數(shù)修正的 k - e 模型預(yù)測(cè)了湍流狹縫沖擊射流的傳熱特性，比較發(fā)現(xiàn)kd 模型對(duì)射流沖擊傳熱 的預(yù)測(cè)效果較好，而采用壁面函數(shù)的k - e 模型的性能很差，不推薦用來對(duì)復(fù)雜流動(dòng) 的?；?。 d i 鋤t 鯽等用二階矩封閉模型計(jì)算了軸對(duì)稱和狹縫射流沖擊的流動(dòng)，將滯止區(qū) 和壁射流區(qū)內(nèi)的計(jì)算結(jié)果與k - e 模型的計(jì)算結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)對(duì) 軸對(duì)稱射流來說，在預(yù)測(cè)壁面剪切應(yīng)力和速度脈動(dòng)方面，二階矩封閉模型要優(yōu)于 k - e 模型，而對(duì)狹縫射流兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果都很好。 在r e = 2 3 0 0 0 ，h d = 6 的條件下，b e h n i a 嗍等用v 2 f 模型( 法向速度松弛湍流模 型1 對(duì)有無封閉板的軸對(duì)稱沖擊射流的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算表明， v ， f 模型相當(dāng)好地預(yù)測(cè)了局部傳熱系數(shù)的分布，而低r e d , k - e 模型對(duì)傳熱率的預(yù)測(cè) 值卻高達(dá)實(shí)驗(yàn)值的2 倍。 d i p a n “3 1 】對(duì)二維層流受限平面射流沖擊的傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。該模型的傳 熱過程包含了對(duì)流換熱。計(jì)算結(jié)果表明，在一定的條件下，平均n u 。隨著進(jìn)n r e 數(shù)的增大而增大，即浮力對(duì)流項(xiàng)并不會(huì)明顯改變總的傳熱過程。 許坤梅同等采用標(biāo)準(zhǔn)弘f 模型、r n gk - f 模型結(jié)合壁面函數(shù)以及低雷諾數(shù)弘 s 模型，對(duì)半封閉圓管沖擊射流流場(chǎng)的平均速度、湍動(dòng)能分布和n u 。數(shù)分布進(jìn)行 了數(shù)值計(jì)算，并將此3 種模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果 表明：3 種湍流模型都未能完全準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沖擊射流場(chǎng)的流動(dòng)特性與傳熱特性，其 中標(biāo)準(zhǔn)如s 模型和低雷諾數(shù)br 模型的結(jié)果很差，而r n g 肛s 模型的結(jié)果與其它兩 種模型相比更接近實(shí)驗(yàn)值。 陳慶光p 3 3 4 1 等人用r n g k 一占湍流模型對(duì)沖擊射流進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與標(biāo) 準(zhǔn)七一占湍流模型相比，r n g k s 湍流模型大大提高了對(duì)沖擊射流的數(shù)值預(yù)測(cè)效 果。 ( 2 ) 射流傳熱特性的數(shù)值模擬研究 1 1 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 周定偉【3 5 蚓等對(duì)層流射流傳熱進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了圓形浸沒沖 擊射流下的流場(chǎng)和換熱的情況，并嘗試對(duì)其機(jī)理進(jìn)行解釋。其中文獻(xiàn)1 3 5 1 用數(shù)值模 擬的方法，以變壓器油r 1 1 3 為工質(zhì)，研究了圓形浸沒沖擊射流下速度與壓力梯度 沿軸向與徑向的分布情況，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，計(jì)算值與試驗(yàn) 結(jié)果吻合良好。文獻(xiàn)p q 對(duì)圓形液體浸沒射流沖擊駐點(diǎn)的傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，研 究發(fā)現(xiàn)，在一定的噴距和r e 下，噴嘴直徑越小，駐點(diǎn)的換熱效果越強(qiáng)；在給定的 噴嘴直徑和r e 下，駐點(diǎn)的n u 數(shù)在5 h d 9 內(nèi)略微呈現(xiàn)峰值；當(dāng)h d - - - 4 ，8 0 r e 2 0 0 0 時(shí)，對(duì)各種尺寸的噴嘴而言，駐點(diǎn)的n u 都隨r e 增大而增大。 1 5 真空制冷探索研究 真空制冷的基本原理是利用抽真空降壓而使液體相變蒸發(fā)而制冷。當(dāng)外界壓強(qiáng) 降低到液體溫度所對(duì)應(yīng)的氣化壓強(qiáng)時(shí)液體就沸騰蒸發(fā)，從而能帶走大量的蒸發(fā)潛 熱。當(dāng)系統(tǒng)與外界絕熱時(shí)，沸騰所帶走的蒸發(fā)潛熱來自于液體自身吸收的能量， 使其冷卻下來，達(dá)到制冷降溫的目的。 目前真空制冷的研究主要集中在食品冷凍工業(yè)，m c d o n a l d l s 7 】發(fā)表了在食品工業(yè) 中真空制冷應(yīng)用的綜述，d a - w e ns u n p 叼建立了真空冷卻的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過 c f d 軟件對(duì)多孔食品的真空冷卻進(jìn)行了數(shù)值模擬。金聽祥嗍綜述了真空冷卻技術(shù) 在花卉、果蔬和熟肉中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀以及目前真空冷卻技術(shù)理論研究的進(jìn)展。 2 0 世紀(jì)9 0 年代起逐漸開始對(duì)液體真空制冷的機(jī)理進(jìn)行了更多的研究，并對(duì)液 體真空制冷過程建立了數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析。世界上第一個(gè)液體真空制 冷模型由b u r f o o t l “1 提出，他認(rèn)為在氣相和液相之間存在一個(gè)濃度梯度，并假設(shè)蒸 發(fā)水的質(zhì)量流量與質(zhì)量傳遞系數(shù)和水蒸氣的平衡壓力與系統(tǒng)總壓力的壓力差正比 例。h o u s k a 4 1 l 也得到了類似的結(jié)論。1 9 9 1 年，z i t n y 和s e s t a k 4 2 1 提出了一個(gè)不同 的真空制冷模型。這個(gè)模型是基于氣相和液相的熱力平衡而得到的。o o s t a l 和 p e t e r a 4 3 1 等人對(duì)液體真空制冷的基本原理、數(shù)值模擬作了研究，并對(duì)h o u s k a 的模 型和s e s t a k 的模型作了比較。 真空制冷作為一種新型的制冷技術(shù)，具有冷卻速率快，冷卻均勻，蒸發(fā)潛熱 大等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于其它的c p u 芯片冷卻方式，真空制冷是一種主動(dòng)式制冷冷卻方 式，若其應(yīng)用到微電子芯片冷卻，將具有更高的冷卻效果。但目前尚未看到有公 開發(fā)表的有關(guān)利用真空制冷對(duì)微電子芯片進(jìn)行冷卻的報(bào)道。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 6 本課題主要研究目標(biāo) 到目前為止，對(duì)射流沖擊強(qiáng)化傳熱的研究已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，有些 研究成果對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)已經(jīng)或正在起著重大的作用。但是利用沖擊射流對(duì)微電子芯 片強(qiáng)化傳熱的研究還存在了一些不足： ( 1 ) 目前對(duì)射流沖擊強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)都是基于一個(gè)很薄的發(fā)熱膜元件來模擬 微電子芯片，液體直接沖擊該發(fā)熱膜元件。實(shí)際的微電子芯片冷卻，考慮到泄漏 和安全問題，尚無法直接用液體沖擊冷卻，直接液冷將對(duì)芯片造成致命的后果， 因而需要一個(gè)射流散熱裝置( 熱沉) 間接冷卻。 ( 2 ) 在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)c p u 芯片的射流冷卻是在一個(gè)有限空間內(nèi)完成，而 上述研究無論是實(shí)驗(yàn)和模擬都是將射流沖擊面置于出口不受限制的大空間容器 內(nèi)，由此得出的結(jié)論是否能直接用于實(shí)際的c p u 冷卻需要進(jìn)一步驗(yàn)證。 ( 3 ) 目前對(duì)射流的數(shù)值計(jì)算更著眼于湍流模型的探索和流場(chǎng)分析計(jì)算，對(duì)湍 流沖擊射流傳熱的數(shù)值計(jì)算，特別是對(duì)有限空問內(nèi)的射流傳熱的三維數(shù)值研究還 很缺乏。 在參閱了大量的文獻(xiàn)資料，全面系統(tǒng)地了解分析國內(nèi)外微電子強(qiáng)化冷卻的發(fā) 展概況及最新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前芯片冷卻技術(shù)的要求，本論文的研究將圍 繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行： 1 利用圓形浸沒射流對(duì)模擬c p u 芯片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)研究 設(shè)計(jì)了一個(gè)有限空間的浸沒射流裝置，建立了接近實(shí)際應(yīng)用的圓形浸沒射流 系統(tǒng)，利用浸沒射流對(duì)c p u 芯片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的研究，通過改變射流速度、噴嘴 直徑、噴射間距，研究上述參數(shù)對(duì)芯片溫度和沖擊面換熱系數(shù)的影響。 2 利用圓形浸沒射流對(duì)模擬c p u 芯片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的數(shù)值模擬 對(duì)自主設(shè)計(jì)的浸沒射流裝鷺建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際工作情況，對(duì)模型進(jìn)行 簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化成三維的湍流射流模型，并且設(shè)定了模型的邊界條件，如射流進(jìn)口溫 度、速度，壁面條件，出口條件等。采用r n gk - 兩方程湍流模型，運(yùn)用f l u e n t 6 0 的分離隱式求解器進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和討論。 3 結(jié)合微小矩形槽道的多噴頭射流強(qiáng)化傳熱的研究 設(shè)計(jì)了一種結(jié)合微小矩形槽道的射流裝置，利用多噴頭浸沒射流沖擊，對(duì)模 擬c p u 芯片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬；模擬部分將著重研究矩形槽道 不同截面尺寸對(duì)換熱的影響。 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 利用真空制冷對(duì)微電子芯片冷卻的探索研究 對(duì)真空制冷原理中，蒸發(fā)與沸騰兩種氣化動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了分析，建立真空 制冷系統(tǒng)熱傳遞的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)兩種情況下液體溫度隨時(shí)間的變化函數(shù)，分析 影響溫度的各種參數(shù)并對(duì)理論模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目的為利用真空制冷冷卻微電 子芯片提供理論依據(jù)。提出了利用真空制冷對(duì)微電子芯片進(jìn)行冷卻的構(gòu)思，建立 利用真空制冷冷卻芯片的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 1 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章射流沖擊強(qiáng)化傳熱理論簡(jiǎn)介 2 1 射流沖擊概述 將流體通過圓形或狹縫形噴嘴直接噴射到固體表面進(jìn)行冷卻或加熱的方法稱 為射流沖擊，這是一種及其有效的強(qiáng)化傳熱方法。圖1 為單束圓形射流沖擊的結(jié)構(gòu) 示意圖，其主要的幾何參數(shù)有：圓管直徑d ( 或窄縫寬度b ) ，噴嘴出口至沖擊面 的高度( 噴射間距h ) ，噴嘴軸線和入射角之間的夾角( 圖示為則o ) ，入射面的 形狀，噴嘴的形狀，以及是否受限( 即噴嘴出口處是否有與入射面平行的平面) 等。 猙 圖2 - 1 單個(gè)圓形噴嘴射流構(gòu)成示意圖 圖2 1 是沖擊射流流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。射流離開噴嘴表面后，由于與周圍靜止 介質(zhì)問的動(dòng)量交換，射流的直徑不斷擴(kuò)大，而在其中心處則仍保持著一個(gè)速度均 勻的核心區(qū)。射流到達(dá)壁面前的區(qū)域稱為自由射流。抵達(dá)壁面后，射流向四周沿 著壁面流開，形成貼壁面射流區(qū)。固體表面上正對(duì)噴嘴中心處稱為滯止區(qū)。 射流是流體運(yùn)動(dòng)的一種重要類型。在許多工程技術(shù)部門中，如航天航空方面 的火箭、噴氣式飛機(jī)，動(dòng)力方面的蒸汽泵、氣輪機(jī)、鍋爐，化工方面的混合設(shè)備， 自動(dòng)控制方面的射流元件，以及射流切割，水力采掘等都大量涉及到射流問題。 而射流沖擊換熱作為一種高效的強(qiáng)化換熱手段，越來越受到人們的重視。 目前射流沖擊強(qiáng)化傳熱已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，例如在鋼鐵工業(yè)中， 圓形和平面水射流沖擊沸騰用于