用于高热流密度散热的藕状规则多孔金属微通道热沉技术研究

本项目提出以金属- - 气体共晶定向凝固工艺（GASAR技术）作为热沉微通道的独特加工方法，将制备得到的藕状规则多孔结构集成化为微通道热沉系统，以其在IC芯片、大功率激光器、LED等高热流密度发热器件上的散热应用为目标需求，在藕状规则多孔金属制备工艺研究的基础上，从实验和理论两个方面，系统开展这种独特微通道结构的对流传热性能的基础研究。利用所搭建的多孔介质对流传热性能测试平台，实验研究藕状规则多孔金属微通道热沉的散热性能，探明藕状多孔结构参数（主要是气孔率、气孔孔径、通孔率等）变化时以及测试环境参量（主要是流体类型、流速、流量等）变化时对热沉散热性能的影响规律，建立藕状规则多孔金属微通道热沉的对流传热模型，实现对热沉散热性能的理论预测，进一步优化热沉结构设计，获得具有最高散热效能的藕状规则多孔结构微通道热沉系统，为解决高热流密度散热的瓶颈问题奠定基础。

本项目将金属-气体共晶定向凝固Gasar工艺所得藕状规则多孔结构集成为新型微通道热沉，在多孔金属制备装置和工艺研究的基础上，从实验、理论和模拟三个方面，系统开展这种独特微通道结构的对流传热性能研究，以解决CPU芯片、大功率激光器、LED等高热流密度发热器件的散热瓶颈难题，具有重要意义。主要内容和重要结果为：(1)研制了单室无浇铸Gasar装置，避免了浇铸充型，有利于获得均匀多孔结构。(2)成功制得直径150mm、高度200mm、重量20kg的大尺寸藕状多孔铜锭，使多孔铜热沉的低成本批量化制造成为可能。(3)用实验和数值模拟研究了下拉速率和过热度对凝固界面形貌、气孔平直性和多孔结构的影响，获得了最佳下拉速率和合适的过热度，实现了优质藕状多孔铜的可控制备，为用作高性能热沉奠定了基础。(4)采用真空扩散焊或钎焊工艺，将多孔铜块与薄铜板焊合，组装成冷头，实现了热沉的系统集成。(5)搭建了多孔介质对流传热性能测试平台。(6)开展了水冷多孔铜热沉传热性能的实验研究，探明了流体动力因素（流速、流量、压差、泵功率）和多孔结构因素（气孔率、气孔孔径、通孔孔隙率、高度、焊接方式）对传热性能的影响规律。(7)建立了基于理想藕状多孔结构的肋片传热理论模型。考虑不通孔的影响，该模型能够准确预测热沉的传热性能。存在最优孔径0.1-0.6mm、最优气孔率30-70%，高度应大于4mm，长度在满足应用要求前提下应尽量短，通孔孔隙率应尽量高。(8)建立了水流经多孔铜时流动和传热的三维数值模型。考虑不通孔的影响，数值模拟亦能准确预测热沉的传热性能。均匀分布气孔的位置分布形式对传热性能影响不大，而气孔孔径不均匀会削弱传热性能。(9)绘制出满足一定传热系数要求的多孔结构参数窗口，可指导多孔铜的制备和热沉的加工。(10)分段能够显著提高传热性能，4段式热沉在压差12kPa时传热系数可达6W/(cm^2*K)，较分段前提高50-70%。合适的分段数需使通孔面积比例达80%以上。(11)研制了高热流密度发热体并搭建了新的多孔介质对流传热性能测试台。(12)开展了高热流密度下多孔铜热沉传热性能的实验研究。平均孔径0.32mm、气孔率30%、长度20mm、加工成4段式的多孔铜热沉，在压差90kPa、热流密度在40-200W/cm^2变化时，其传热系数保持在10W/(cm^2*K)，是目前微通道热沉的最高值。