低温固体界面传热过程计算机仿真研究

 

1.1 界面传热问题的提出

汉语“界面”一词的意义是“物体与物体之间的接触面”（现代汉语词典，中国商务印书馆 1988 年出版，p583）。实际上，“界面”也指物体（物质）之间的连接面和连接层。在自然界，气体、固体、液体这三种物质存在的基本形态之间相互连接形成很多“界面”，如图 1-1-1 所示。根据界面的连接紧密程度，界面连接情况有两种：物质之间没有相互渗透和物质之间有相互渗透，用图 1-1-2 表示。图 1-1-2（a）表示有相互渗透情况，即在界面层内 A、B 共同存在，从微观角度看：A 中有 B 的原子存在，B 中也有 A 的原子存在，这种情况称为 A 和 B 相互渗透连接；图 1-1-2（b）表示无相互渗透情况，即界面上 A、B 只是紧挨在一起，从微观角度看：A 中没有 B 的原子存在，B 中也没有 A 的原子存在，这种情况称为 A 和 B 无相互渗透连接。

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1.2 课题研究背景、科学意义和必要性

在电子技术领域，美国的一份研究报告表明，包括计算机在内电子产品故障的 55％源于产品的工作温度不合理，超过了其他所有故障的总和[40]。电子产品的热输运问题有芯片内部的大规模或超大规模集成电路与其基片之间的传热问题和芯片外壳的散热设计（大多数芯片把芯片外壳作为热沉，也有的芯片把其输出引脚作为热流输出通道），但问题的根本都是界面传热问题。现在计算机普遍采用在计算机中央处理器(CPU)外壳上安装散热器和风扇解决 CPU 的散热问题，CPU 外壳和散热器之间界面热阻直接影响散热效率。随着计算机中央处理器(CPU)频率的提高，其热功耗也在增加，其热设计已经成为制约 CPU 提高主频率的瓶颈问题。传统的 CPU 是把晶体管设计在具有良好导热性能的绝缘基片上，晶体管产生的热量是通过晶体管与基片的导热把热量传递到芯片外壳的。针对 CPU 芯片内部的热设计问题，国外公司已推出用微型热管散热的水冷 CPU，与风冷 CPU 相比，其最大优点是超稳定性和超静音功能。综上所述，固体界面传热问题是航天器热控制、高温超导、半导体元器件和计算机散热设计等领域所关注解决的基本科学问题。

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2 界面传热的逻辑分析工具——热开关代数

 

2.1 热开关代数研究背景

热开关在航空航天、低温工程、超导技术和工业与民用等领域都有广泛应用。热开关是指具有阻断和导通热流的一种装置或元件，其具体形式和尺寸很多。大型的热开关，如低温工程中使用的气隙式热开关（如图 2-1-1）, 热端为低温时导通,热端为高温时关断。它的特点是带有一根充(抽)气管,当需要它导通时,将其中充以一定压力的工质气体；当需要其关断时,只需抽出其中的气体,开关的关断热阻与其中气体的压强有关[34]；微型热开关如超导技术中使用的 Al-Cu 超导热开关[7]，它由超导线圈控制,当超导线圈所产生的磁场强度高于阀所固有的临界磁强度时,它的热导率大大下降,从而起关闭阀门的作用,相反就是打开了热开关，其组成结构如图 2-1-2 所示，线圈重量仅 3g；微尺度热开关如文献[41]报道一类在结构上具有准一维性质的过渡金属配合物显示出分子水平上的热开关特征（图 2-1-3）。

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2.2 布尔代数

说明：本章的布尔代数和泛布尔代数来自参考文献[38][37]，在此将主要内容罗列是方便读者阅读和理解本文提出的热开关代数，节省读者查阅文献时间。

 

2.2.1 布尔代数概念

英国数学家乔治 布尔 （George Booler）首先引进布尔代数概念和性质，这里介绍的布尔代数公理体系是亨廷顿（Huntington）于 1904 年给出的布尔代数公理系统[38]。定义 设 是一个非空集合，在 上规定了两个二元代数运算：布尔加，用符号“+”表示；布尔乘，用符号“ ”表示（有时可省略不写）。并且

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3 低温固体界面热阻实验及参数测量

3.1 低温固体界面热阻实验及装置....................... (38)

3.2 低温固体界面热阻实验的温度测量................... (42)

3.3 低温真空测量............................ (46)

4 低温固体界面热阻实验温度控制

4.1 固体材料低温热物性实验温度控制................ (52)

4.2 G-M 制冷机辐射屏温度随动控制....................... (60)

 

6 低温固体界面传热过程计算机仿真研究

 

6.1 传统低温固体界面传热理论模型仿真

传统的低温固体界面传热理论有声失配理论、热应力理论和 T4（热辐射）理论[170]等。本节讨论关于声失配理论和热应力理论的界面热阻仿真，验证仿真计算结果与理论预报和实验测量值之间的差别，这对于低温其固体界面传热的研究有实际意义。内容有氮化铝棒材（AlN）和铜棒材（Cu）的低温界面热阻；高温超导材料 Bi2223 棒材与氮化铝棒材（AlN）低温界面热阻；高温超导薄膜 Er-Ba-Cu-O与 MgO 基体间界面热阻。

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7 全文总结和展望

 

7.1 全文总结

针对低温固体界面传热实验研究的需要，研究了温度和真空度这两个基本状态参数的测量问题，采用嵌入式设计技术和面向对象的编程技术，研制了嵌入式 G-M 制冷机低温与真空测量系统。该系统将待测对象或系统的信号变换与采集部分由安装在现场的嵌入式单片机完成；通过串行通信接口把数字信号传送给上位 PC 计算机；PC 机完成复杂的数学计算，如非线性曲线校正等，得到最终的显示结果，WINDOWS 显示界面具有良好的人机互动功能。该系统可以用于其它装置的温度与真空测量。

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参考文献（略）