用强化器烩强空冷块状电子元件的传热!甘永平王迅雷道亨马重芳(热能工程学系)[摘要]使用两种强化器改韩了顺排电子元件的卞气冷却，使强迫对炉平均传热系数提高2；吒，铭个实验是九／r，二2800~220n”范周内进行的。根据66种强化器的特跦㈠构a-1实验效捌，关联川+i之州心的坪蛤公穴。填于施功显示，对整个传热过程的机Jql电㈩了解扦，关键词。强化器，窄冷，巾子元件随着科学技术水下的不断提高，各种微电子设洽及汁算帆的应Jn日益广泛，各种微电子设备和汁算机口益翻新，功能越来越个，体积越来越小．这就要求粱成rU路的密度越来越高，因而造成单位面积散热翠急刚增加．先进的集成：巨路的散热最已超过10sw／m2．但是由于集成电路的性能对温度很敏威，通常不汴超过85℃，温度每超过2℃，可靠性便下降10gS．巾于宅气是最易取得的介质，使㈩方便，特别是对策成电路的封址，要求彳；高，没仃腐蚀现象，因而目前多数微电子设备及各种汁算帆均使用空气冷却．所以，研究空气流过电乎元件的传热机理及如何强化这种条件下的传热是很重要的．本实验釆用了两种移置式强化扰动器，在较大雷诺数范围(R，·＝2800～)内并行了实验，并在实验所得的数据基础—l：，建立起经验公式．釆用强化器可使传热系数有较大的增加．为了能综合评价传热效果，．还进行了每种强化器的阻力实验．为了进行对传热机理的Qcf究，还做了可视化的实验．流动显示的结果，对增强传热的帆理能作更确切的解秆，工实验装置·，图1为实验所用的风洞系统，它由渐缩段、实验毁．测量段，调节阀门和风机等所组成．实验段的横哉面积为500X125mm~，测量段则渐缩为125X125mm2，流速的增加，使测苎精度提高。流速的改变足适过调节阀门来实现的。在实验段中分头三层，每一层形忘二卞卒苎，每个通道装有45个模拟电子块状元件，按9列5排方式顺排排列，元f1：之间的横向与纵向间距为28mm．每个块状元件的尺寸为28X28XlOmma．如图2所示．，夸文于1989年《月24日髌科、图1．实验风洞示意图北京工业入学学报 ro一口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口曰曰日曰曰口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口卜——600—叫热电偶安装点图：．实验段内元件排列示意田图3，热态元什及热咆偶安装位宜阄为了实验和了作方便，块状元件作成两种．一种是由有机玻璃块组成，共闩的是为造成员实的模拟环境，本身并不发热．另一种是发热方块，如图2，卜悱右阴影的5个方块即为热态方块，共表面覆盖着8llm厚的不锈钢箔，箔与胶木之间用很薄一层胶粘按．为了测；鼠热态仆的温度，在表面上装有4支铜—康铜热电隅，共位置如图3所示．除了耐热电偶要进行枝验外，还要注意避苑热电偶与不锈钢箔直接接触，否则迩直流电时会jL：《生测量娱差．为了改善热态模拟电子块状元件的冶却效果，在实验件的上面分别放置两种移置式扰动器．I型为一直径为20mm的半圆柱．重型是在I型的基础上加一段流线型曲面，共外型如图4所示，共宽度与风道宽度相同．均为500mm．2实验结果卜20叫至飞二厂I号强化器卜36叫—气二厂夏号强化器图4．移置式强化器外形简图’下—10回土—2．]放置移置强化器对块状元件的传热影响2．1．1放置—个1型强化器和未放强化器时的对此．图5显示了在第二排块状元件的ll：[：方放置一个I型强化器，它与上通道接触并在横座标匕扯示川它的具体位置．从Nu与N的关系曲线可以看川，从第一排至五排均钉明显的提高，但以第三排效果最明显．当流速降低，只。小于2800~1．／，各排强化效果相差彳；人．2．1．2放置·个Ⅱ型强化器和未放强化器时的对比图G示山了实验结果，可以看Ui仍在第三排有个峰值山现，情况颇似J型，但胀1排外，其它渚排均北I型有更好的效果，@T——OO吟——上甘永平等：用强化器增强空冷块枚电子元件的传热图5．放置I型强化器时／／n数与流速，排数／／之间的关系徘数／V凶6．放置Ⅱ型强化器时／／u数与排数5＼／之间的关系2．1．3放置二个强化器时对传热的影响当使用二个强化器时，均使用I型移置式强化器，其放置位置均Ll在图7和图8：卜表示为了区别，将图7横座标上强化器所表示的位置称作／d，图8中所示位置稍：作刀．可以看川，由于有第二个强化器的存在，每排块状元件是两个强化器的共同作用的结果．因此各排块状元件／／u的数均高于使用一个强化器时的／／u数．从爿、刀情况对比，月种情况的强化效果高于／4种情况，所有这些都可以从图7和图8中汲示出来．排数／y图7． d种情况下／f。与6dS逮，OGJ／闻的关系图8．矗种情况下i1／c与淀速，排数／／间的关系北京工业大学学报2．2传热公式的拟合．按照元件在流动空气中的传热关系式可写成：Nu＝CR：通过实验数据可以确定C和刀．2．2．1设置两个强化器时的爿种情况的。和n值排数土2345 c0．9520．9610．7380．9531．035 n0．5550．5620．5860．5530．539‘．2．2设置两个强化器时的月种情况的c和n值排数1·2345 c0．9220．9860．7640．7551．151刀0；5640．5520．5880．5850．5332．弓形状阻力的此较Re~10-a凶o． nl力系数。／与雷诺数间的关系阻力是由摩擦阻力和形状阻力组成，前者足由流体的粘性引起的，后者是由于不规则流道产生的．在电子设备中，形状阻力占主导地位．图9示出了设有各种增强器和没有增强器时的阻力曲线，从图中可以看出，当jI。小于时，c／随51。增加而增加；当尺．大于时，c／B0下随只‘增加而达到自摩区．从图中还可以看出，刀种情况的cf大于／d种情况的cf．2．4流体流动显示为了进一步搞清强化传热的机理，通过流场显示并拍制照片．图10示出了无强化器时流线的情况．图11示出了加两个半圆形强化扰动器的流线情况．可以看山．在未加强化器时，流凶Iu尢强比器时的沈场显示照片图1真有两个强化器时的沈场显示照片：谙谙盂主票笔吕产姜芸芸芸盖主：芜芸盂芸尝产。s，3增加两个强化器时，．共流线和上甘永平等：用强化器增强空冷块抉电子元件的传热盯3分析与结论通过流动显示，可以清楚的看到，当使用两个强化器时，随着诺数的增加，在4排和5排出现旋涡(图11)．由于旋涡的存在，使这两排的换热增强．对于1、2，3排虽然没有旋涡，但由于强化器的阻塞作用，使强化器附近的局部切向速度增大，同样使换热能力增强．通过实验和分析可以得出以下结论：(1)在微电子冷却中，加强化器是一种简易有效的强化传热方法，其强化效果和几何形状及安装位值有关．安装；个强化器时，虽然各排传热均有增强，但以第三排最显著．I型和Ⅱ型相此，Ⅱ型阻力小，强化传热效果也高于I型．(2)使用两个强化器和使用一个相对此，一二三排的传热均有增强．由于旋涡相互作用所以对4，5排的增强尤为显著，但阻力也增加，在实际应用时需综合考虑这些因素．(2)各种情况下的对流传热系数计算，可按下面公式计算Nu＝CR：，式中的c和分别列于两个表中．打值均(4)通过可视化实验，移置式强化传热的机理叮认为是；①由于强化器的阻塞作用，块状仲表面上的切向流速增加，因而戒薄了边界层从而使传热增加；②当Re数较大时，强化器后的尾流与块状元件激发的旋涡相互作川，从而使四五排的传热增强．参考文献亡1)SparrowEM，NeithammerJE pressureDropCharacteristics andChabockiA．HeatTransfer andOfArraysOfRectangularModulesEncounteredElectronicEquipment，In[．J．HeatMassTransfer1983；25：961～973亡2]SparrowEM，YanezmorenoAA andOtis．DR．Conycction1．．IeatTransferResponse tOHeigh[Differences inAnArrayOfBioc>l-LikeE1ectronicComponents，Int．J．HeatMassTransfer1984；27；499～473仁3]Moffa[RJ，ArvizuDE andOrtegaA，CoolingEle乩ronicComponen[s．ForcedConvectionExderimen[s wi[hAir-CooledArray，1985；HTD-Vol·正4)Leh,mannGT，Wirl2RA．ThcEffec[OfVaria“Ons inSlrcams-＼ViscSpacing andLeng[h)nConvection fromSurface入{Oun[cdRcc[a力一 gularComponents，1985：ASME’HTD48；39～47亡5]ChenZQ，!WangYH．Hea[TransferPerformancc()fRec[dngularL,omponents inElectronicDevices(inChinese)，JournalO{XianJiao— tongUniversity，21：1987；23～3l正6]HwangVP．ThermalDesignUsingTurbulator forAir-c()ulcdEIcctronic，、 odulcs onACard．Package，Proc．NEPCON wesl，·Marcl：，1984；44l～449亡?』AAsshhiiwwareN，NakayamaW andDaiaokuT．ForcedConvection真真cu[，l‘ransfer fromLSIPackages id anArr-CooledWiringCardArray，ASMEHTD1983；28：35～42一使在

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