（工程热物理专业论文）微电子芯片冷却的实验研究和数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着微电子技术的飞速发展，芯片功率密度不断上升，芯片的耗能和散热已 经成为限制微电子技术发展的瓶颈，对微电子芯片冷却技术的需求上升到前所未 有的程度。因此，对高性能冷却技术的研究具有十分重要的意义。 本论文探索了两种微电子设备的冷却技术。一种是液体射流冲击冷却，它是 利用流体垂直向表面进行高速冲击，从而产生很强的换热效果；另一种是真空制 冷冷却，它是利用抽真空降压而使液体相变蒸发而获得制冷。上述两种技术已经 运用在许多工程领域，在微电子设备的冷却上也具有广阔的前景。 本论文进行了以下3 方面的工作： 1 、设计了一个有限空间的浸没射流装置，建立了接近实际应用的圆形浸没射 流系统，利用浸没射流对c p u 芯片进行强化传热的实验研究。为了进一步研究射 流强化传热的规律，针对自主设计的浸没射流装置建立三维湍流数学模型，运用 f l u e n t 软件进行了数值模拟。实验和模拟发现，增大射流速度、降低射流进口 的温度都有利于提高冲击面平均换热系数，降低芯片表面温度；喷射间距对冲击 面平均换热及芯片表面温度无明显影响；在相同的射流速度下，增大喷嘴直径有 利于提高冲击面换热系数，且换热系数分布更加均匀；在相同的射流流量下，减 小喷嘴直径有利于提高冲击面平均换热系数。实验值和模拟值基本吻合。 2 、白行研制了结合微小矩形槽道的浸没射流装置，对其进行了强化换热的实 验研究和数值模拟。实验和模拟都发现，结合微小槽道的射流装置具有更佳的换 热效果；矩形槽道的截面尺寸越小，其换热效果越佳。 3 、利用真空制冷对模拟c p u 芯片的冷却进行了探索研究。建立了液体真空 制冷的数学模型并进行理论推导，得到了液体温度随时间的变换函数；建立了利 用真空制冷冷却芯片的实验系统，结果表明，利用真空制冷对芯片进行冷却具有 一定的可行性；增大蒸发器底板导热系数、减小水与底板之间的换热热阻以及采 用加肋底板都有助于提高换热效率降低芯片表面温度。 关键词：微电子芯片，射流冷却，强化传热，数值模拟，真空制冷 江苏大学硕士学位论文 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 蛳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 江苏大学硕士学位论文 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 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密菌。 学位论文作者签名：瓠够l 饿 砷年移月l 日 指导教师签名：蓉左整 沙7 年6 月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：敲够1f 裂 日期：岬年6 月ze t 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 微电子冷却技术的研究意义 在微电子设备中，相当一部分功率损耗转化为热的形式，因此任何具有定 电阻的微电子元器件对于运行中的微电子设备而言都是一个内部生热源。元器件 的耗散生热会直接导致微电子设备温度的升高和热应力的增加，从而导致元器件、 电路板、组件及设备在较高的温度下不能可靠地工作，甚至缩短其工作寿命，即 产生所谓的“热致失效”。 随着微电子设备中元器件的集成度和耗散功率的日益提高，“热致失效”已 经成为微电子设备最主要的失效形式之一，对微电子设备的工作可靠性造成严重 威胁，成为微电子设备设计中的瓶颈。目前，微电子设备热负荷水平的升高主要 来自三个方面【l l ： ( 1 ) 随着微电子技术的迅速发展，微电子器件的封装密度得到了迅速提高。 研究表明，芯片级的热流密度已经高达l o o w c m 2 。 ( 2 ) 随着元器件集成度的提高，热量集中，微电子设备局部温度过高，导致 微电子元器件工作于高温环境下而失效。 ( 3 ) 微电子设备的使用范围日益广泛，使用环境变化很大，微电子设备往往 处于环境温度高，温差变化大，条件苛刻的条件下，从而导致微电子元器件的工 作性能及稳定性大大降低。 随着微电子技术的迅速发展，微电子芯片的应用遍及日常生活、生产乃至国 家安全的各个层面，在现代文明中扮演着极其重要的角色。当前，计算机的运算 速度以惊人的速率增长，与此对应的是计算机芯片的集成度越来越高，芯片尺寸 越来越小，时钟频率越来越大，芯片功率与功率密度也急剧增加。1 9 7 1 年i n t e l 公司 生产的第一个芯片只含2 3 0 0 个晶体管，而如今在一枚i n t e l 奔腾4 芯片上，就集成有 4 2 0 0 万个晶体管。根据著名的“摩尔定律”推算：芯片上的晶体管每1 8 个月翻 番，那么到2 0 1 0 年，芯片上晶体管的数量将超过1 0 亿。高集成度对于计算机性能 的升级是有利的。然而，由此带来的问题是，芯片耗能和散热问题也凸现出来 芯片集成度的提高，受到了微电子元器件发热而引起的热障的限制。因此，随着 微电子技术的飞速发展，更使得对高性能冷却技术的需求提到了前所未有的层面。 江苏大学硕士学位论文 叫 胁h 愀硼 l 尹弋， l 酬：- - 鱼f = ：兰习 r 、蜃7- j 飞 旱：丝笋订 呼钎l 拍张 图i - i1 n t c lc p u 功翠功耗随年代的增长图 为了及时把c p u 的热量传到环境空间，几乎所有的现代计算机都安置了利用 热沉与风扇组合为一体的风冷散热装置，如图1 2 。风冷散热装置的原理为：c p u 发出的热量首先由热沉下部的热扩散器吸收并通过热传导传给上部密排的肋片， 风扇驱动空气吹向肋片，利用对流将热量带走。热量将首先滞留在计算机机箱内 部，然后缓慢传到外部环境空间。随着c p u 速度的提高，芯片发热量越来越大， 要求更强的空气流动散热。由于风扇功率的增加，噪音愈来愈大，许多高性能c p u 需要风扇转速超过7 0 0 0 r p m ，从而产生大于6 0 分贝噪音。因此风冷系统已经不能 适应更快速度的c p u 散热要求，必须求助于新的解决方案，即需要更高的冷却功 率的冷却方式，实现高通量密度热量的转移。 图i - 2 目前最常用的计算机芯片散热设备 1 2 微电子芯片冷却技术简介 除了常规的风冷冷却之外，微电子芯片冷却技术包括液冷冷却、固体制冷冷 却和气体制冷冷却等三大类。液冷冷却技术主要有直接液冷冷却、雾化喷射液冷 冷却、热管冷却、微槽道冷却、射流冷却等技术，固体制冷冷却主要为半导体制 冷冷却技术和热电离子冷却等技术，气体制冷冷却主要有合成微喷冷却、热声冷 2 一邕蕾尽看整 江苏大学硕士学位论文 却和气体节流制冷等技术。以下着重讨论一些典型的芯片冷却技术。 ( a ) 直接液冷冷却 目前直接液冷冷却是最常用的一种液冷方式，如图1 3 。其工作原理：液体 驱动泵使液体循环通过一个贴在芯片上的吸热块( 热沉) ，当液体流过吸热块， 热量从发热的芯片传到较冷的液体，受热液体然后流到机箱一侧的散热器，利用 风扇强迫空气流过散热器，将热量传到外部的环境中。冷却后的液体再重新流回 到c p u 吸热块，继续上述过程。目前国内外生产直接液冷系统的主要厂商如 s w i f r e c h 、k o o l a n c e 、a h a n i x 和奥柯玛都具有其独特设计的液冷系统并且 在该领域不断地进行技术投入与开发。 图1 - 3 直接液冷冷却示意图及实际图 ( b ) 雾化喷射液冷冷却 雾化喷射冷却是液体通过雾化喷管借助高压气体( 气体喷射) 或是依赖本身 的压力( 压力喷射) ，使液体雾化，强制喷射到物体表面上，实现对物体有效冷却 的技术，如图1 4 。由于雾化喷射冷却靠雾滴沸腾相变，释放热量靠冷凝相变， 所以它是一种非常有前景的高热流强制冷却技术。因其具有换热效率高且冷却均 匀的特点，适用于一些对温度要求很严格的领域，如微电子、激光技术、国防、 航天技术领域。该技术耳i ； 还处于实验研究阶段。 图1 - 4 喷雾蒸发冷却示意图 3 江苏大学硕士学位论文 ( c ) 热管冷却 热管是一种利用相变来快速传递热量的元件，典型的热管由管壳、吸液芯和 端盖组成。其基本原理为嘲：当热管的一端受热时，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸 汽在微小压差作用下流向另一端，释放热量并凝结成为液体，此后，液体再沿多 孔材料靠毛细力的作用返回蒸发段，如图1 5 。如此循环不已，即将热量由热管 的一端输运至另一端。热管技术在航空航天及核工业中的许多场合有重要应用。 由于其导热性能高( 超过铜1 0 0 倍以上) ，并能远距离传递热量，适合于狭小空间 中高热量的排放，在笔记本电脑c p u 的散热方面已得到应用。 l ；l 1 f l b l h 一2 h 一3 叫 隰漤礤强焱落蕊甾酝臻躐淘 、4 76 ，、： 函毽竣簸辫舅窘浚浚躲筇窟列 档管工作原理 1 蒸发段；2 绝搏段；3 凝结段； 4 管苍；5 ，工作暖；蒸汽 图1 - 5 热管工作原理及其与散热器的组合 由于微型热管液体循环多采用毛细力驱动，无需动力源，这种循环方式也称 之为毛细抽吸循环( c p l - - c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) ，如图1 6 所示。c p l 的核心 是蒸发器( 毛细泵) ，根据其内部结构还可以分为干道式热管芯结构和反向式毛 细芯结构两种。目前反向式毛细芯结构用的较多，其结构如图1 6 所示。进入蒸 发器的液体经毛细芯产生的毛细力抽至管壁与芯接触面处蒸发，经壁面上轴向蒸 汽通道流出蒸发器，从而通过内部工质的蒸发将加于蒸发器的热量带走。 储液嚣 i 虱i - 6 反向毛细泵( c p l ) 系统及毛细蒸发器结构示意图【3 l 4 江苏大学硕士学位论文 ( d ) 微槽道冷却 八十年代，美国学二w r u c k e r m a n 和p e a s e n 最先报道了一种微槽道冷却结构，如 图1 7 ，它由具有高导热系数的材料构成，他们的实验表明微槽道冷却具有很高 的传热系数( 7 9 0 w c r n 2 ) 。在过去的二十年里，许多学者对微槽道传热进行了研 究。在芯片冷却应用上，微槽道冷却结构作为高效紧凑型换热器或冷却装置极具 优势。特别是，集成化的散热器件通过微加工技术易于实现，因而有望成为下一 代散热器的主流之一。尽管微槽道尺寸会增加散热能力，但也有压力降升高的问 题，会增加微槽道的沿程压力损失及所需加压泵的出口压。 图1 7 微槽道液冷散热示意图图l - 8 由电渗析泵驱动的微槽道液冷散热示意图 斯坦福大学的y a o l s j 等人同时实现了液体电渗驱动的微槽道冷却循环，如图1 8 ，电渗泵无运动部件，提供的压差大，可以使用低浓度水溶液作冷却液，且耗 能小，因而比较适合用于芯片的冷却。他们的实验表明，采用这种微槽道冷却方 式，其冷却热流可达到1 0 0w c m 2 ，最大热流功率达到1 3 0 w 。 ( e ) 热电制冷冷却【q 热电制冷技术是基于p e l t i e r 效应实现的。其基本原理为：在两种不同金属组成 的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个节点变冷而另一节点变热，这种现象 称之为p e l f i e r 效应，亦称温差电效应。这是一种固体制冷技术，因此具有结构紧凑 规整的优点，其缺点是效率低、制冷量小。由于半导体材料内部结构的特点，其 温差电效应较之其它金属显著得多。一个热电制冷结构如图1 9 所示。若干个这 样的热电结构对在电路上串联起来，在传热方面并联就构成一个常见的热电制冷 组件( 热电堆) 如图1 1 0 。借助于热交换器等各种传热元件使热电制冷组件的热 端不断散热，并保持一定的温度，把冷端放到微电子芯片的表面，并使微电子芯 5 江苏大学硕士学位论文 片也保持一定的低于环境温度。 幺 冷螭 熬麓 p 嫩电霸曩 辩獭电魏锋 鬟鹾壤聱 图1 - 9 热电制冷结构原理图图1 1 0 热电堆制冷结构示意图 ( f ) 合成微喷冷却【7 】 合成微喷是由c b c 等人首次提出并实现的一种微流体器件，其原理如图1 1 1 所 示。相应结构非常简单，主要由一个腔体和一个驱动膜片构成。工质一般采用气 体，由电磁力或压电驱动膜片上下振动，振动频率在1 0 0 到2 0 0 赫兹之间，气体工 质因腔内压力的变化而发生吸进或喷出，从而在孔外形成连续的射流场。主流区 的最大喷射速度可达3 0 n 埔。合成微喷的冷却效率之所以能提高，原因在于它能有 效地破坏热边界层，从而更好的使周围冷却气体与边界层气体混合，最终大大提 高壁面换热系数。合成微喷在芯片冷却方面特别是便携式电子产品的散热方面将 有很广阔的应用前景。 y ( a )( b ) i g i i - - 1 1 ( a ) 合成微喷的结构示意图；( b ) 合成微喷的流场示意酬7 1 ( g ) 射流冲击冷却 射流冲击冷却方式采用流体垂直于芯片表面进行喷射，是一种强化对流换热 方式。由于流体高速冲击，使得被冲击表面温度边界层变薄，温度梯度大，从而 加大了换热速率，使受冲击区域产生很强的换热效果。作为一种新型的冷却方式 6 台 江苏大学硕士学位论文 已应用于实际计算机系统中。二十世纪七十年代，气体射流冲击冷却方式用于 i b m - 4 3 8 1 大型计算机嘲，如图1 1 1 所示。由于气体射流冲击的传热能力已难于满 足现代技术发展所带来的高热流密度的散热要求，因此，使用液体作为冷却工质 已成为必要。1 9 8 3 年，日本f u j i s u 在其m - 7 8 0 计算机上首先采用了单束圆形水射流 冲击的间接冷却方式唧，其冷却系统结构见图1 1 2 。这种间接液体冷却方式存在 这固体一一固体界面处的热阻，影响了散热能力，而用电介质液体与微电子芯片 直接接触，通过自然对流、强迫对流或者相变传热可极大地提高芯片的冷却效率。 八十年代中期，直接液体冷却已经用于美国克雷一2 型超级计算机【l o l 。 目前高端微电子设备的某些高热流元件热流密度已经超过1 0 3 w c m 2 【7 】，而芯片 性能受温度影响极为敏感，通常要求工作温度低于8 5 ，一般商用机芯片温度要 求低于6 5 甚至5 5 。据报道，温度每升高2 ，芯片可靠性便下降1 0 ，故障率 大大增加。在寻求有效的冷却措施的过程中，液体冲击射流冷却因其极高的传热 效率而受到广泛关注。 图1 1 1 气体射流冲击冷却方式应用于i b m - 4 3 8 1 大型计算机 7 江苏大学硕士学位论文 图1 1 2 单束圆形水射流冲击的冷却方式应用于m - 7 8 0 计算机 1 3 冲击射流冷却微电子芯片的传热实验研究 由于射流在强化换热方面有着重要的作用，近年来受到工程学术界的特别重 视，成为传热学的热门课题。到目前为止，国内外学者对射流冷却做了大量的实 验研究【1 1 1 2 1 3 】。大量的实验研究表明，射流冲击换热效率跟诸多因素有关，如射 流出i z l r e 数、喷嘴至冲击面的距离( w d ) 、喷嘴形状及几何尺寸、被冲击表面形 态、阵列射流等。研究手段日益多样，研究范围不断扩展，从单个喷嘴到多个喷 嘴，从二维平面射流转向三维射流，从单一的试验研究发展到试验研究与数值计 算相结合。 一 j a m b u n a t h a n 1 4 】等对圆形湍流射流进行了深入系统的研究，详细分析了在不同 雷诺数( 5 0 0 0 - - 1 2 4 0 0 0 ) 、不同喷射间距( h ，d = 1 2 1 6 ) 及不同径向位置处( d = 0 - - 6 ) 的换热系数，并得到了努塞尔数n n 的实验关联式。c o l u c c i 和v i s k a n t a t l l 】 实验研究了不同喷距、不同雷诺数和两种不同喷嘴几何尺寸对空气射流的局部换 热系数的影响，发现在较大喷射间距下，局部换热系数与喷嘴几何尺寸无关，局 部换热系数在驻点处最大，并随径向半径增大而减小，当雷诺数增大时，局部换 热系数也增加。c h i n 1 5 l 等对浸没限制射流进行了实验研究，在大空间出口不受限 制条件下，分别用空气、水及f g 7 7 为工质，得到了驻点及平均换热系数的经验关 联式；实验发现，在相同的喷嘴直径下，径向半径增大，局部换热系数降低，而 雷诺数增加时，局部换热系数增加；在相同雷诺数下，随着喷嘴直径的增大，局 部换热系数分布更加均匀，而射流速度越大，孔径越小，在驻点处的换热系数越 大；平均换热努塞尔数随着雷诺数的增加而增加，但喷射间距对平均换热系数无 8 江苏大学硕士学位论文 明显影响。秦到1 0 l 等以最新微电子设备冷却剂f c - 7 2 为工质，实验研究了自由和浸 没情况下，圆形射流冲击5 m m x 5 m 模拟微电子芯片的局部对流情况，测定了驻点 及径向换热系数的分布，讨论了雷诺数、喷嘴间距对换热及其分布的影响。 现将射流换热的实验研究结果归纳如下： ( 1 ) 射流出口的r e 数 射流出e i r e 数对驻点换热有着非常大的影响。大量的实验表明，射流r c 数增 加，即出口速度增加，导致驻点处边界层变薄，驻点的换热明显加强。无论是自 由射流还是浸没射流，大量的理论和实践研究结果表明驻点换热系数计算公式具 有以下的形式： n u - c r e ”p r 4 关于p r 数的影响，文献【1 6 1 分析指出：当0 1 5 p r 3 时，n 取0 4 ；当p r 3 时，n 取1 3 。 ( 2 ) 喷嘴至冲击面的距离( 蛐d ) 实验研究表明，喷嘴至冲击面的距离对冲击面上局部换热系数有着重要的影 响。它不仅影响射流冲击的换热系数的大小，也影响换热系数的径向分布。 b c h n i a 1 7 1 总结了前人的实验结果指出，对于液体浸没射流冲击换热，当喷射 间距较大( h d = 6 ) 时，换热系数的局部分布基本呈钟形，即在驻点处出现最大值， 然后沿径向距离的增大而逐渐减小；但是当喷射间距较d , ( i - i d = 1 ) 时，换热系数的 径向分布并非单调下降，而是出现了换热的双峰值。h o o g e n d o o m 1 s 和l y t l e l l 9 1 在实 验中发现，在小喷距、高r e 条件下，冲击表面的换热系数的分布存在双峰值现象， 即存在非单调变化趋势。在r d = 0 5 左右和r d = 1 5 左右处出现换热系数的双峰值， 且随着h d 的减小，第二峰值逐渐向外移动，数值也逐渐变大闭。第一个换热系数 峰值的出现，通常认为是在高速流体冲击下，边界层变的很薄，导致了换热系数 变的很大；第二个换热系数峰值的大小和位置取决于射流出n r e 数、喷嘴至冲击 面的距离及喷嘴的几何尺寸等因素，通常认为流体沿径向向外流动时边界层由层 流向紊流转变而引起的【1 9 1 。 ( 3 ) 喷嘴形状和几何尺寸 喷嘴结构直接决定了射流出口速度梯度的大小和分布。通过对管状喷嘴和孔 型喷嘴的喷射换热研究，p o p i e l l 蛳j s t e v e n s 2 1 】发现，孔型喷嘴的射流紊流度较大， 导致射流冲击的传质率比管状喷嘴高4 0 ，换热系数也高4 0 。对于喷嘴几何尺寸 9 江苏大学硕士学位论文 的影响，s t e v e n s 2 1 】认为，由于喷嘴直径影响速度梯度，从而影响换热，同一r c 数 下，喷嘴直径越大，驻点处换热系数也越大；c h i n l l 5 】认为在相同雷诺数下，随着 喷嘴直径的增大，局部换热系数分布更加均匀，而射流速度越大，孔径越小，在 驻点处的换热系数越大。g a r i m e l l a 2 2 1 用f c - 7 7 为工质，系统地研究了喷嘴结构和尺 寸对冲击射流换热的影响，并得到考虑喷嘴尺寸的驻点换热系数关联式。 ( 4 ) 入射角 大部分射流冲击换热都是研究法向冲击换热面的情况。然而以一定的射流角 度倾斜冲击加热面时，发现随倾斜度的增加，驻点处换热系数的最大值降低，而 且出现最大值的位置从几何驻点向下游移动嘲。 ( 5 ) 被冲击表面形态 。 g a b m l r i 瑚用水射流研究了壁面粗糙度对液体射流驻点换热的影响，发现对于同 一直径的射流换热系数随壁面粗糙度的增大而增大，壁面粗糙度的影响受到r e 数和 射流直径的约束。对于凹面而言，曲率越大，滞止区的传热系数减小，但由于增大 了表面积，总的传热量却比平面的有所增大，对于小的h d 而言，更是如此圈。 ( 6 ) 阵列射流的影响 为了提高整个芯片表面平均换热系数，使芯片表面的温度分布更均匀，许多 学者对阵列射流做了实验研究，并总结了相关的换热关联式。 j j j i 和d a g 孤嗍得到了自由表面射流的平均换热胁。数的关联式： 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换热 数的关联式： 21 n u j - 0 2 2 5 r e 3p r 3p o 。o 蛄p ，4 ) 1 4 冲击射流冷却微电子芯片的传热数值研究 由于冲击射流流场结构的复杂性，一些传热机理和现象仍未得到合理的解释， 且由于实验条件和测量手段的不同，不同实验人员会得到不同的实验结果。为了 进一步研究射流流动和传热过程，许多学者对射流流动与换热进行数值模拟研究。 目前冲击射流数值模拟的研究主要集中在2 个方面：一是通过试验对比研究， 探索合适的湍流模型来有效地模拟冲击射流，提高对冲击射流模拟的准确度；二 是通过数值计算，并结合试验研究，分析冲击射流的换热特性及各种因素的影响 江苏大学硕士学位论文 作用。 ( 1 ) 射流湍流模型的探索 c r a f 0 1 3 】等用四种湍流模型预测了冲击射流滞止点附近的流动和传热特性，评 价了四种模型的预测能力，计算与实验的比较表明：低雷诺k - e 模型对滞止点附近 的湍动能预测值远高于测量值，法向脉动速度的均方根高达实验值的4 倍。 i - i e y e d c h s 蝴k - ( 旋涡脉动频率) 模型和采用壁面函数以及低r c 数修正的 k - e 模型预测了湍流狭缝冲击射流的传热特性，比较发现kd 模型对射流冲击传热 的预测效果较好，而采用壁面函数的k - e 模型的性能很差，不推荐用来对复杂流动 的模化。 d i 锄t 鲫等用二阶矩封闭模型计算了轴对称和狭缝射流冲击的流动，将滞止区 和壁射流区内的计算结果与k - e 模型的计算结果以及实验数据进行了比较，发现对 轴对称射流来说，在预测壁面剪切应力和速度脉动方面，二阶矩封闭模型要优于 k - e 模型，而对狭缝射流两种模型的预测结果都很好。 在r e = 2 3 0 0 0 ，h d = 6 的条件下，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 对有无封闭板的轴对称冲击射流的流动和传热进行了数值模拟，数值计算表明， v ， f 模型相当好地预测了局部传热系数的分布，而低r e d , k - e 模型对传热率的预测 值却高达实验值的2 倍。 d i p a n “3 1 】对二维层流受限平面射流冲击的传热进行了数值模拟。该模型的传 热过程包含了对流换热。计算结果表明，在一定的条件下，平均n u 。随着进n r e 数的增大而增大，即浮力对流项并不会明显改变总的传热过程。 许坤梅同等采用标准弘f 模型、r n gk - f 模型结合壁面函数以及低雷诺数弘 s 模型，对半封闭圆管冲击射流流场的平均速度、湍动能分布和n u 。数分布进行 了数值计算，并将此3 种模型的计算结果与文献中的测量结果进行了比较。结果 表明：3 种湍流模型都未能完全准确地预测冲击射流场的流动特性与传热特性，其 中标准如s 模型和低雷诺数br 模型的结果很差，而r n g 肛s 模型的结果与其它两 种模型相比更接近实验值。 陈庆光p 3 3 4 1 等人用r n g k 一占湍流模型对冲击射流进行了数值计算，发现与标 准七一占湍流模型相比，r n g k s 湍流模型大大提高了对冲击射流的数值预测效 果。 ( 2 ) 射流传热特性的数值模拟研究 1 1 江苏大学硕士学位论文 周定伟【3 5 蚓等对层流射流传热进行了二维数值模拟，系统研究了圆形浸没冲 击射流下的流场和换热的情况，并尝试对其机理进行解释。其中文献1 3 5 1 用数值模 拟的方法，以变压器油r 1 1 3 为工质，研究了圆形浸没冲击射流下速度与压力梯度 沿轴向与径向的分布情况，并与试验数据进行了对比，结果表明，计算值与试验 结果吻合良好。文献p q 对圆形液体浸没射流冲击驻点的传热进行了数值模拟，研 究发现，在一定的喷距和r e 下，喷嘴直径越小，驻点的换热效果越强；在给定的 喷嘴直径和r e 下，驻点的n u 数在5 h d 9 内略微呈现峰值；当h d - - - 4 ，8 0 r e 2 0 0 0 时，对各种尺寸的喷嘴而言，驻点的n u 都随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压而使液体相变蒸发而制冷。当外界压强 降低到液体温度所对应的气化压强时液体就沸腾蒸发，从而能带走大量的蒸发潜 热。当系统与外界绝热时，沸腾所带走的蒸发潜热来自于液体自身吸收的能量， 使其冷却下来，达到制冷降温的目的。 目前真空制冷的研究主要集中在食品冷冻工业，m c d o n a l d l s 7 】发表了在食品工业 中真空制冷应用的综述，d a - w e ns u n p 叼建立了真空冷却的非稳态数学模型，通过 c f d 软件对多孔食品的真空冷却进行了数值模拟。金听祥嗍综述了真空冷却技术 在花卉、果蔬和熟肉中的应用研究现状以及目前真空冷却技术理论研究的进展。 2 0 世纪9 0 年代起逐渐开始对液体真空制冷的机理进行了更多的研究，并对液 体真空制冷过程建立了数学模型并进行数值模拟分析。世界上第一个液体真空制 冷模型由b u r f o o t l “1 提出，他认为在气相和液相之间存在一个浓度梯度，并假设蒸 发水的质量流量与质量传递系数和水蒸气的平衡压力与系统总压力的压力差正比 例。h o u s k a 4 1 l 也得到了类似的结论。1 9 9 1 年，z i t n y 和s e s t a k 4 2 1 提出了一个不同 的真空制冷模型。这个模型是基于气相和液相的热力平衡而得到的。o o s t a l 和 p e t e r a 4 3 1 等人对液体真空制冷的基本原理、数值模拟作了研究，并对h o u s k a 的模 型和s e s t a k 的模型作了比较。 真空制冷作为一种新型的制冷技术，具有冷却速率快，冷却均匀，蒸发潜热 大等优点。相对于其它的c p u 芯片冷却方式，真空制冷是一种主动式制冷冷却方 式，若其应用到微电子芯片冷却，将具有更高的冷却效果。但目前尚未看到有公 开发表的有关利用真空制冷对微电子芯片进行冷却的报道。 江苏大学硕士学位论文 1 6 本课题主要研究目标 到目前为止，对射流冲击强化传热的研究已经取得了丰硕的研究成果，有些 研究成果对指导生产已经或正在起着重大的作用。但是利用冲击射流对微电子芯 片强化传热的研究还存在了一些不足： ( 1 ) 目前对射流冲击强化传热的实验都是基于一个很薄的发热膜元件来模拟 微电子芯片，液体直接冲击该发热膜元件。实际的微电子芯片冷却，考虑到泄漏 和安全问题，尚无法直接用液体冲击冷却，直接液冷将对芯片造成致命的后果， 因而需要一个射流散热装置( 热沉) 间接冷却。 ( 2 ) 在实际应用中，对c p u 芯片的射流冷却是在一个有限空间内完成，而 上述研究无论是实验和模拟都是将射流冲击面置于出口不受限制的大空间容器 内，由此得出的结论是否能直接用于实际的c p u 冷却需要进一步验证。 ( 3 ) 目前对射流的数值计算更着眼于湍流模型的探索和流场分析计算，对湍 流冲击射流传热的数值计算，特别是对有限空问内的射流传热的三维数值研究还 很缺乏。 在参阅了大量的文献资料，全面系统地了解分析国内外微电子强化冷却的发 展概况及最新进展的基础上，结合目前芯片冷却技术的要求，本论文的研究将围 绕以下几个方面进行： 1 利用圆形浸没射流对模拟c p u 芯片进行强化传热的实验研究 设计了一个有限空间的浸没射流装置，建立了接近实际应用的圆形浸没射流 系统，利用浸没射流对c p u 芯片进行强化传热的研究，通过改变射流速度、喷嘴 直径、喷射间距，研究上述参数对芯片温度和冲击面换热系数的影响。 2 利用圆形浸没射流对模拟c p u 芯片进行强化传热的数值模拟 对自主设计的浸没射流装鹭建立数学模型，根据实际工作情况，对模型进行 简化，简化成三维的湍流射流模型，并且设定了模型的边界条件，如射流进口温 度、速度，壁面条件，出口条件等。采用r n gk - 两方程湍流模型，运用f l u e n t 6 0 的分离隐式求解器进行三维稳态模拟计算，并对模拟结果进行分析和讨论。 3 结合微小矩形槽道的多喷头射流强化传热的研究 设计了一种结合微小矩形槽道的射流装置，利用多喷头浸没射流冲击，对模 拟c p u 芯片进行强化传热的实验研究和数值模拟；模拟部分将着重研究矩形槽道 不同截面尺寸对换热的影响。 江苏大学硕士学位论文 4 利用真空制冷对微电子芯片冷却的探索研究 对真空制冷原理中，蒸发与沸腾两种气化动力学过程进行了分析，建立真空 制冷系统热传递的数学模型，推导两种情况下液体温度随时间的变化函数，分析 影响温度的各种参数并对理论模型进行实验验证，目的为利用真空制冷冷却微电 子芯片提供理论依据。提出了利用真空制冷对微电子芯片进行冷却的构思，建立 利用真空制冷冷却芯片的实验系统并进行实验研究。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第二章射流冲击强化传热理论简介 2 1 射流冲击概述 将流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到固体表面进行冷却或加热的方法称 为射流冲击，这是一种及其有效的强化传热方法。图1 为单束圆形射流冲击的结构 示意图，其主要的几何参数有：圆管直径d ( 或窄缝宽度b ) ，喷嘴出口至冲击面 的高度( 喷射间距h ) ，喷嘴轴线和入射角之间的夹角( 图示为则o ) ，入射面的 形状，喷嘴的形状，以及是否受限( 即喷嘴出口处是否有与入射面平行的平面) 等。 狰 图2 - 1 单个圆形喷嘴射流构成示意图 图2 1 是冲击射流流动结构示意图。射流离开喷嘴表面后，由于与周围静止 介质问的动量交换，射流的直径不断扩大，而在其中心处则仍保持着一个速度均 匀的核心区。射流到达壁面前的区域称为自由射流。抵达壁面后，射流向四周沿 着壁面流开，形成贴壁面射流区。固体表面上正对喷嘴中心处称为滞止区。 射流是流体运动的一种重要类型。在许多工程技术部门中，如航天航空方面 的火箭、喷气式飞机，动力方面的蒸汽泵、气轮机、锅炉，化工方面的混合设备， 自动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问题。 而射流冲击换热作为一种高效的强化换热手段，越来越受到人们的重视。 目前射流冲击强化传热已经广泛应用于许多工业领域，例如在钢铁工业中， 圆形和平面水射流冲击沸腾用于