面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板设计及其性能研究
这是一篇关于服务器,液冷散热,吹胀型液冷板,传热性能,流动性能的论文, 主要内容为随着信息技术的飞速发展,数据中心的规模不断扩大。为处理庞大的数据量,更多高性能服务器被投入使用。高性能意味着更高的功耗以及更大的发热量,传统空调冷却系统难以满足巨大的散热需求,而目前针对服务器的液冷散热技术存在液冷板结构复杂、制造成本高、周期长等问题,不利于液冷散热技术的推广应用。为解决以上问题,本文提出面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板。研究内容如下:(1)根据某2U高性能服务器CPU芯片的热管理需求设计出面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板,确定吹胀型液冷板采用单面吹胀、两芯片流道并联连接的整体结构。根据折起后形状设计出Z型吹胀型液冷板和N型吹胀型液冷板,提出平行流道、阵列流道和蛇形流道三种热源区域流道结构。建立吹胀型液冷板热源区域流道的数值模型,通过仿真确定蛇形流道为最合适的热源区域流道结构。(2)制备了不同的吹胀型液冷板测试样品,设计了吹胀型液冷板性能测试方案,搭建了吹胀型液冷板性能测试平台,并提出吹胀型液冷板传热性能、均温性能、流动性能和综合性能的评价指标。(3)通过仿真和实验研究折弯、流道形状、流量和功率等因素对吹胀型液冷板性能的影响。实验结果表明:折弯对吹胀型液冷板传热性能影响较小,但随着流量增大,折弯会使其流动性能下降。吹胀型液冷板的传热性能和流动性能受流道弯曲程度影响较大,与Z型板相比,N型板的综合性能更好。流量越大时吹胀型液冷板的传热性能越好,但流量增大到一定程度后吹胀型液冷板的热阻下降幅度变小,传热性能的提升变小。吹胀型液冷板的整体均温性随流量和功率的增大而变差;局部均温性随流量增大而变好,随功率增大而变差。为保证较低的热源温度和温差,应当避免在小流量下工作。功率为100W、流量为35L/h时N型板具有最低的热阻Rt=0.0613K/W。(4)对比吹胀型液冷板仿真与实验结果,证明所建立的数值模型具有指导意义。利用数值模型对吹胀型液冷板在大功率工况进行预测分析,结果表明当功率较大时,增加冷却液流量能够有效降低热源温度。
面向印刷电路板领域的微细直径热管制造工艺研究及传热性能分析
这是一篇关于微细直径热管,吸液芯,丝网,泡沫铜,传热性能,PCB的论文, 主要内容为随着互联网技术和微电子技术的高速发展,具有高性能、低延迟和高容量特性的5G通信技术也得到了快速发展。然而随着5G实时数据吞吐量的增大,特别是在电子设备整体结构轻薄化、紧凑化的发展趋势下,其处理芯片的热流密度不断增大,由此,作为其电气连接载体的印刷电路板(PCB)散热问题日益凸显。微热管作为一种高效相变传热元件,已被广泛应用于解决众多领域的热问题,效果显著。但要在厚度不超过3.5 mm的PCB上利用微热管散热,必须开发出直径更小、传热性能良好的微细直径微热管,即直径为2 mm的微热管。吸液芯结构是影响微热管传热性能的关键因素之一,在研究工作中探究了5种适用于微细直径热管的吸液芯结构及其成形方法,包括了折叠丝网吸液芯(FSM)、单目数双层丝网吸液芯(SSM)、双目数双层吸液芯(DSM)、粉末烧结式泡沫铜复合丝网吸液芯(PSSM)和电解沉积式泡沫铜复合丝网吸液芯(EDSM)。制定了微细直径热管的制造工艺路线,并确定了各工艺参数。实验中制作了5种不同吸液芯结构的微细直径热管样品;利用扫描电子显微镜(SEM)对样品的横截面进行观测,观察不同吸液芯结构的烧结状态与挤压状态,探索不同结构吸液芯的成形工艺以及形态特点,并结合传热性能实验结果分析吸液芯成形状态对微细直径热管传热性能的影响。基于微热管毛细传热极限理论,推导并计算了5种吸液芯结构微细直径热管的传热极限理论值,FSM热管、SSM热管、DSM热管、PSSM热管和EDSSM热管的理论极限传热功率分别为7.1 W、5.7 W、6.0 W、8.5 W和7.8 W。搭建了微细直径热管传热性能测试平台,并对5种不同吸液芯结构微细直径热管进行传热性能测试,包括不同充液率和不同加热功率下,5种不同吸液芯结构微细直径热管轴向温度分布、蒸发和冷凝热阻特性;以及最佳充液率下,5种不同吸液芯结构微细直径热管极限传热功率;恒定加热功率(3 W)下,5种不同吸液芯结构微细直径热管从启动到其稳定的时间。同时选取5种微细直径热管,制作PCB热管散热模组,并测试其在不同冷却方式下的散热性能。结果表明:FSM热管、SSM热管、DSM热管、PSSM热管和EDSSM热管的最佳充液率分别为160%、120%、120%、130%和90%,此时其传热功率为最大,分别为7 W、4 W、5 W、8 W和7 W,与理论计算接近;随着加热功率的增大,蒸发热阻呈现先增加后减小的趋势,而冷凝热阻逐渐减小至0.1 K/W;加热功率为3 W时,5种吸液芯微细直径热管从启动到其稳定的时间分别是220 s、230 s、215 s、224 s和210 s。自然对流散热条件下,SSM热管模组的散热效果最佳,热阻值为1.73 K/W;而在强迫对流(风速为2.0 m/s)散热条件下,FSM热管模组的散热效果最佳,热阻值为1.24 K/W。
面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板设计及其性能研究
这是一篇关于服务器,液冷散热,吹胀型液冷板,传热性能,流动性能的论文, 主要内容为随着信息技术的飞速发展,数据中心的规模不断扩大。为处理庞大的数据量,更多高性能服务器被投入使用。高性能意味着更高的功耗以及更大的发热量,传统空调冷却系统难以满足巨大的散热需求,而目前针对服务器的液冷散热技术存在液冷板结构复杂、制造成本高、周期长等问题,不利于液冷散热技术的推广应用。为解决以上问题,本文提出面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板。研究内容如下:(1)根据某2U高性能服务器CPU芯片的热管理需求设计出面向服务器芯片散热的吹胀型液冷板,确定吹胀型液冷板采用单面吹胀、两芯片流道并联连接的整体结构。根据折起后形状设计出Z型吹胀型液冷板和N型吹胀型液冷板,提出平行流道、阵列流道和蛇形流道三种热源区域流道结构。建立吹胀型液冷板热源区域流道的数值模型,通过仿真确定蛇形流道为最合适的热源区域流道结构。(2)制备了不同的吹胀型液冷板测试样品,设计了吹胀型液冷板性能测试方案,搭建了吹胀型液冷板性能测试平台,并提出吹胀型液冷板传热性能、均温性能、流动性能和综合性能的评价指标。(3)通过仿真和实验研究折弯、流道形状、流量和功率等因素对吹胀型液冷板性能的影响。实验结果表明:折弯对吹胀型液冷板传热性能影响较小,但随着流量增大,折弯会使其流动性能下降。吹胀型液冷板的传热性能和流动性能受流道弯曲程度影响较大,与Z型板相比,N型板的综合性能更好。流量越大时吹胀型液冷板的传热性能越好,但流量增大到一定程度后吹胀型液冷板的热阻下降幅度变小,传热性能的提升变小。吹胀型液冷板的整体均温性随流量和功率的增大而变差;局部均温性随流量增大而变好,随功率增大而变差。为保证较低的热源温度和温差,应当避免在小流量下工作。功率为100W、流量为35L/h时N型板具有最低的热阻Rt=0.0613K/W。(4)对比吹胀型液冷板仿真与实验结果,证明所建立的数值模型具有指导意义。利用数值模型对吹胀型液冷板在大功率工况进行预测分析,结果表明当功率较大时,增加冷却液流量能够有效降低热源温度。
面向锂离子电池热管理的吹胀式液冷板设计制造及其性能研究
这是一篇关于吹胀式液冷板,锂离子电池,传热性能,流动特性的论文, 主要内容为锂离子电池由于其高能量密度、高可靠性、高储能效率而被广泛应用于电动汽车和储能系统中。储能系统的功率密度受电池温度的限制,当电池以高倍率电流充放电时电池温度会急剧升高,损害电池性能和寿命,电池适宜的工作温度为15～35℃,电池组最大温差应小于5℃。液冷系统是锂离子电池热管理未来的发展方向,本文设计并制造了面向锂离子电池热管理的吹胀式液冷板,并通过数值仿真和实验分析研究其传热性能和流动特性,主要研究内容如下:(1)实验测试了锂离子电池的标称容量、温升特性曲线、内阻、开路电压、生热率、导热系数等参数并建立其产热模型,在绝热和恒温环境下验证了产热模型的准确性。(2)在吹胀式液冷板流道结构设计中,嵌入扰流结构提高其散热性能,使用结构差异设计提高电池均温性。通过COMSOL平台建立锂离子电池液冷模组数值模型,对比不同流道结构下液冷板的性能,其中具有凹穴、凸肋结构,且使用结构差异设计的S-3液冷板散热性能最优。使用仿真模型研究S-3液冷板结构尺寸对其性能的影响规律,结果表明,在给定流量范围内,增大凹穴高度、凹穴直径和减小凸肋高度、凸肋直径有利于提高液冷板性能。根据仿真结果设计液冷板尺寸并进一步制备了四种吹胀式液冷板。(3)在吹胀式液冷板的性能测试中,验证了仿真模型的准确性,研究了电池放电倍率、液冷板流道结构、流量、贴合方式对液冷板性能的影响,并将其与风冷和其他液冷板对比。实验结果表明:吹胀式液冷板的散热性能对比风冷系统有明显优势,能将锂离子电池2C倍率放电时的最高温度和最大温差分别控制在35℃以下和5℃以内。流道结构差异设计显著提升电池的均温性。随着放电倍率的增大,电池最高温度和最大温差增大。流量增大时,电池的最高温度和最大温差减小。S-3液冷板具有最佳的综合传热性能。电池1C倍率放电时,推荐使用S-3液冷板12L/h流量;电池2C倍率放电时,推荐使用并联流道液冷板30L/h流量。吹胀式液冷板平面贴合时的换热性能强而凸面贴合时的均温性更好,加强电池中央区域的散热有利于提高电池均温性。与其他液冷板相比,吹胀式液冷板具有传热性能强、质量轻、成本低廉的优势。
TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料蓄热性能数值模拟及实验研究
这是一篇关于复合相变材料,轻质多孔功能材料,传热性能,蓄热性能,选区激光熔化的论文, 主要内容为相变蓄热技术具有相变潜热高、蓄热密度大、相变状态稳定等特点,被广泛应用于电子元器件热管理、太阳能储热发电系统、工业余热回收、以及建筑节能等领域。但传统相变材料由于自身导热系数小,相变蓄热效率低,难以满足航空航天等苛刻环境下对高性能相变温控材料的需要。因此本文对包含多孔类高性能导热增强体的复合相变材料展开研究,以期在航空航天领域电子元器件温控应用中发挥更优异的性能。本文首先采用三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)法,设计了TPMS周期性多孔结构,并以Al Si10Mg粉末为原材料,利用选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术将其成形后运用于相变材料石蜡的导热增强体。基于焓-孔隙率模型、Boussinesq假设,本文构建了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料的三维、瞬态、包含自然对流的相变蓄热模型,利用FLUENT流体仿真软件研究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料在蓄热过程中的固液相界面演变规律、实时温度变化、热传输特性以及蓄热性能。结果表明,在纯石蜡中添加PS、PN、BCC、WS四种多孔铝后,虽对石蜡内部自然对流具有一定的抑制作用,但对石蜡热传导的增强作用更显著;四种多孔铝的加入使石蜡相变温度范围内出现明显的相变温度平台,相变起始时间减少82.0%以上,相变完全时间缩短79.2%以上;蓄热密度较纯石蜡分别下降11.92%、10.03%、12.62%、11.82%,但蓄热速率提升明显,分别提高3.52倍、4.93倍、4.05倍、4.08倍;正梯度形式分布的TPMS多孔铝能够促进远离热源端处石蜡的热传导作用,使其表现出较均匀梯度与逆梯度TPMS多孔铝复合相变材料更高的蓄热密度及蓄热速率,对提高复合相变材料的蓄热性能更有利;采用浇筑法制备了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料实验试样,并搭建可视化实验平台对仿真结果中的固液相界面演变以及各测点温度进行实验验证,发现仿真结果同实验吻合较好。最后,本文以电子元器件温控为背景,通过编写热源程序定义了开/关脉冲、高/低脉冲、正弦波动三种周期性功率变化热源,探究分别以纯石蜡和复合相变材料为储热介质时,其对芯片热量耗散的效果。结果表明,在三种周期性波动热源作用下,以纯石蜡作为储热介质时,芯片温度波动幅值分别达到36.8℃、22.8℃、15.2℃,峰值温度分别达到106.8℃、107.3℃、109.1℃。而以复合相变材料为储热介质时,芯片温度波动幅值分别降低为13.7℃、10.8℃、4.9℃,峰值温度分别降低为59.7℃、63.1℃、68.1℃,表现出更好的温控特性;TPMS多孔铝不仅促进了石蜡内部的热量传递,避免了石蜡在芯片处产生局部热量聚集现象,而且加速了相变材料模型边界处与外界的对流换热作用,使芯片的热量耗散更快。综上,本课题利用数值仿真结合实验的方法系统性的探究了TPMS多孔铝的加入对石蜡传热性能及蓄热特性的影响,并探究了TPMS多孔铝-石蜡复合相变材料的温控效果,为拓宽增材制造轻质多孔结构在传热及相变温控领域的应用,以及构建结构-功能一体化材料提供了理论支撑和实验依据。
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