热驱动MEMS微流动新型散热机制与实验研究

Aimed at the prominent problems of huge thermal power and high cost cooling of the mainframe computer, a new type cooling mechanism with thermal driving for MEMS flow is carried out. Vibration of beam driving by thermal is put forward, with which the flow characteristics of heat diffusion surface is changed. Then the method for the temperature gradient formation between heat diffusion surface and outside surroundings is established for strengthening heat dissipation, achieving the goal of thermal driving for self-adaption cooling. A breakthrough in two key technologies are achieved, which includes the scheme and processing technology realization of the MEMS self-adaption cooling actuator, the heat dissipation mechanism and multi field coupling simulation and validation of MEMS self-adaption cooling actuator. The problem of thermal driving for heat dissipation self-adaption cooling mechanism based on microscale effect is solved. MEMS fluid actuator cooling system is developed to overcome problems arising from the complex structure, large volume, large weight, high energy consumption for the current actuators, to achieve the goal of miniaturization and low cost, also to provide a new way for mainframe computer’s low cost cooling.

针对大型计算机芯片总体发热量大、散热成本高的突出现实问题，开展热驱动MEMS微流动新型散热机制和实验研究，提出以热驱动MEMS梁振动，改变芯片传热表面的流动特性，建立传热表面和外界的温度梯度，实现热致振动自适应散热的“以热散热”思想，突破MEMS热致振动自适应散热激励器方案及加工工艺实现、MEMS热致振动自适应散热激励器散热机制与多场耦合模拟验证这2项关键技术，解决基于微尺度效应的热驱动振动自适应散热机制这一科学问题，研制热驱动MEMS微流动激励散热系统，克服现有激励散热系统结构复杂、体积大、重量大、能耗高等问题，实现小型化、低成本散热的目标，为大型计算机芯片的低成本散热开辟一条新途径。

场协同原理和火积耗散极值原理为高性能电子设备强化散热技术的流场设计提供了理论指导，但目前广泛采用的被动式流动控制技术存在明显的调节困难、阻力代价大、改善效果一般等问题，无法满足实际工程的需要。在前期工作的基础上，本项目针对模块级与芯片级电子系统中常见的局部过热现象，通过实验测试结合数值模拟的方式开展了模块级与芯片级尺度下，基于压电晶片材料的局部流动控制技术研究。通过实验测试，验证了本项目提出的局部流动控制方法能够有效的解决模块级与芯片级尺度下的局部过热问题。通过流固耦合数值模拟，分析了压电式驱动结构的流动控制特性，分析了漩涡的产生特性以及演化规律，说明了漩涡对温度场的影响，解释了壁面对流换热强化的机理。研究成果表明，采用基于压电晶片材料的驱动结构在电子系统局部散热问题中具有较好的应用前景，使用本项目提出的流动控制方法，模块级尺度下的平均对流换热性能可提高119.9%，局部对流换热性能增长高达8倍，对应的额外压降阻力仅为12.5%；芯片级尺度下的平均对流换热性能增长可提高60%以上，局部对流换热性能增长可达到30倍以上，对应的额外压降阻力小于30%。本项目的研究成果为低雷诺数条件下的管内流动控制与强化传热问题提供了理论基础，并且为模块级和芯片级尺度下的电子系统局部过热问题提供了解决方案。