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新型平板热管的传热性能研究

李时娟  
【摘要】: 采用平板热管来有效解决微小空间内高热流密度电子设备的散热问题是热管的重要发展方向,如何实现更高性能的平板热管成为目前该领域的热点问题。本文针对厚度薄、面积大、毛细结构新的平板热管,进行了实验研究和理论分析,包括以下五个部分: 一、设计制作了不同尺寸和结构的平板热管实验件,包括夹芯平板热管和阵列式平板热管。夹芯平板热管的毛细芯有三种结构,即叠片毛细芯、金属毡毛细芯和槽道复合丝网毛细芯。阵列式平板热管包括十根铝氨轴槽道微热管。 二、对夹芯平板热管实验件进行了传热性能的测试。研究了加热功率、轴向倾角、侧向倾角和加热面积等因素对热管传热性能的影响,比较了不同实验件的导热系数和其与密度的组合参数。叠片芯平板热管实验件传热性能最好,水平状态下、加热面积为1cm~2时,最大热流能达到48.78W/cm~2(48.78W),且导热系数之比和导热系数与密度之比在加热热流为10W/cm~2(10W)时均能达到5倍以上。对叠片芯平板热管还进行了等温性能的实验测试,比较了热管和相同尺寸的铝板、热管进行热冲击前后以及热管放置在不同位置下的等温性能。在水平状态下,热管的热阻只有铝板的1/3,表现出较好的等温性。 三、对阵列式平板热管的传热性能进行了实验研究。测试了热管的启动性能和稳态性能,分析了加热功率和倾角对工作温差和热阻的影响。结果表明,该热管具有很好的启动性能,且在水平状态下传热性能最佳,当加热热流为10.78W/cm~2(43.13W)时,最大温差只有15.59℃,对应的热阻仅为0.35℃/W,优于夹芯平板热管的性能。 四、建立了叠片芯平板热管内部毛细流动和传热特性的理论分析模型。通过模型计算了热管内部弯月面半径和气液压力的轴向分布,分析了充液率、工质、工作温度、轴向倾角以及结构参数对热管毛细传热极限的影响,为叠片芯的结构优化提供了依据。 五、建立了槽道复合丝网芯平板热管内部毛细流动和传热特性的理论分析模型。计算了不同加热功率、不同充液率和不同丝网规格下气液界面的轴向分布,分析了工质、工作温度以及槽道和丝网的结构参数对热管传热量的影响,为槽道和丝网参数的优化提供了依据。 本文的创新点体现在:(1)平板热管具有厚度薄、面积大、毛细芯新颖的特点,在尺寸和适用性上比前人的研究更进一步,而且叠片毛细芯,在现有的文献中还没有相关研究;(2)建立了叠片芯平板热管的理论分析模型。通过引进截面调节系数和流阻调节系数对常规的槽道平板热管的理论分析模型进行修正,以适用于新型的叠片芯平板热管;(3)建立了槽道复合丝网芯平板热管的理论分析模型。用饱和度表示液体份额,使蒸发模型中气液界面的位置确定更加方便。


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