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用于电子冷却的平板热管均热器及其传热特性研究

王晨  
【摘要】:近年来电子技术迅速发展,电子元器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化,使得单位容积电子元器件的发热量越来越大,对散热提出了更高的要求。而平板热管因其较高的导热率、良好的均温、结构紧凑等优点,被认为是解决电子散热问题的的先进技术之一,具有广阔的应用前景。因此,对平板热管均热器及其传热特性进行开发和研究,探究相变换热机理,不仅具有重要的实际意义,也同时具有重大的理论与学术价值。本文对平板热管均热器进行了较为系统深入的理论与实验研究,研发了高性能平板热管均热器,主要工作包括: 改进了热管均热器的结构,设计加工了具有深微槽道结构的平板热管,实验测试了其在不同充液率、热流密度以及倾斜角度下的工作性能,建立了平板热管微槽道内蒸汽及液相流动与传热数学模型。所设计加工的平板热管的主要结构特征使槽道肋顶部与冷凝面直接接触,从而使得从蒸发面到冷凝面的轴向导热不仅仅通过相变换热,还通过了微型肋柱的导热,增强了平板热管的轴向导热能力,使得热管在低热流条件下也能正常工作。实验结果显示深微槽道热管的工作性能良好,具有优良的轴向导热和均热性能,在各种倾斜条件包括垂直和反重力条件下正常工作。重力对热管内部工质循环的影响很小。建立了深微槽道式平板热管微槽道内流动和传热的数学模型,并对其进行求解,给出了不同宽度和长度截面处的温度场分布,并得到了蒸汽和液体的体积分数及混合物密度,并与实验结果进行了对比。 对平板热管结构进行进一步改进,设计并加工了交错孔道式平板热管,并对其工作性能进行了实验研究和分析。它与深微槽道式热管有相同外部尺寸和材质,是在实心铜板内加工了纵横交错的孔道形成,不仅能使蒸发面与冷凝面直接连为一体,与深微槽道热管相比消除了蒸发面与冷凝面的接触热阻,既能保证蒸汽沿通道运动将热量分散到整个冷凝面,又能使的蒸发面和冷凝面之间有具有一定的连接面积,从而强化了蒸发面和冷凝面之间的导热作用。实验结果证明交错孔道还能增强热管的毛细力作用,从而强化了相变换热,因此不仅具有优良的均热性能,还能减小蒸发面和冷凝面之间的温差,有效地降低模拟芯片热源的温度。 提出并加工了一种具有双微槽道吸液芯的平板热管,并对其在不同充液率和热流密度下传热性能进行了系统的实验研究。由于相变热阻是平板热管轴向的主要热阻,因此强化热管内部的沸腾-凝结相变换热可以减小热管的热阻,改善热管的工作性能。实验结果表明,热管在保持良好的径向均热能力的前提下还具有良好的轴向导热能力,其在最佳充液率下的热阻小于上述的两种热管。证明热管蒸发面和冷凝面上的微槽道结构有效强化了工质的相变换热,大幅度降低了相变热阻,使得双微槽道热管同时具有优良的均热性能和导热性能。 对上述三种具有同样外形尺寸和不同毛细结构的热管以及纯铜板的传热性能进行对比研究,分别研究了它们的轴向导热和径向均热性能。结果证明纯铜板的热阻最大,然后依次为深微槽道热管、交错孔道式热管和双微槽道热管。在轴向导热能力方面,双微槽道热管的轴向导热能力最优,然后依次为交错孔道式热管和纯铜板,深微槽道式热管的轴向导热能力最差。在径向均热能力方面,双微槽道热管的均热能力最优,交错孔道式热管和深微槽道式热管的均热能力相近且次之,纯铜板的均热性能最差。与纯铜板均热器相比,三种热管的均热性能均优于纯铜板,而交错孔道式热管和双微槽道热管在轴向导热能力上也优于纯铜板,这正符合我们设计使用热管的初衷,即在保持热管良好的径向均热性能的前提下,尽量强化轴向传热,减小轴向导热热阻。 实验研究了纳米流体对热管性能的影响,将碳纳米管悬浮液(CNT)应用于双微槽道式热管,实验研究了碳纳米管悬浮液对于其性能的影响,并与工质为水时的实验结果进行了比较,发现CNT悬浮液的确对双微槽道热管性能有强化作用,但强化效果并不明显。


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