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基于纤维吸液芯结构平板微热管的研究

韩天  
【摘要】:随着微电子制造技术的快速发展,超大规模集成电路的集成度越来越高,芯片的连线密度大,可用散热面积小,使得芯片的功率密度急剧增加,芯片温度显著上升,严重影响其工作可靠性和使用寿命。微型热管是利用密封在管内工质相变进行热量传输的器件,具有体积小、重量轻、传热效率高、成本低、易于集成、无需外加动力等显著优点,能有效解决目前微小型器件和芯片的散热问题,具有广泛的应用前景。微热管的发展经历了由单根微热管到微热管阵列,再到平板微热管的过程。平板微热管与微热管阵列相比,能够降低气液界面摩擦力,提高传热性能,因此成为国内外研究热点。 本文首先介绍了平板微热管的工作原理和主要传热极限,在此基础之上利用一维稳态理论分析模型研究了限制槽道式平板微热管性能提高的三点结构性问题:(1)气液界面摩擦力问题;(2)工质回流沟道尖角区尖锐度问题;(3)单位面积上沟道数量问题。针对上述三个问题分别提出了相应的解决方案。根据结构改进方案,提出一种新型基于纤维吸液芯结构的平板微热管。这种新型平板微热管采用纤维紧密排列形成工质回流吸液芯,在回流沟道中形成了两圆相切时产生的极其尖锐的尖角区域;同时通过结构设计使气液流动通道分离,降低气液界面摩擦力;另外由于纤维可以多层排列,工质回流通道也可多层排列,增加了单位面积上工质回流通道的数量。鉴于上述优点,这种纤维吸液芯结构平板微热管解决了限制平板微热管性能提高的三个结构性问题,使进一步提高平板微热管性能成为可能。 由于微型平板热管理论研究主要集中于槽道式平板微热管的模型研究,不适用于本文提出的纤维吸液芯结构平板微热管。为此,针对这种新型结构,本文重新建立了相应的理论模型。模型不仅考虑了工质在纤维间的流道中的流动特性,还包含了纤维间的传热过程。针对纤维吸液芯结构,本文采用有限元分析法,将微热管在微热管轴向方向和微热管横截面上分别进行网格划分,形成一个个微小有限元,在每个有限元上列出相应的控制方程。控制方程共有四类,分别为连续性方程、动量守恒方程、工质的相变方程和传热方程,将每个控制方程进行离散化处理,从而得到了模型的控制方程组。在MATLAB环境中建立迭代程序对方程组进行迭代求解,可以得到每层流道中工质弯月面半径的轴向分布、每层流道中液态工质压强的分布、每层流道中工质的流速分布、每层流道中工质相变质量流的分布、以及管壳和各层纤维中心的温度分布,根据微热管两端温差与输入热量的关系得出微热管的最大传热量。并利用实验数据验证了模型计算结果的准确性。 纤维吸液芯微热管的结构材质、结构参数、工质的选择等因素均会对微热管传热能力产生较大影响。为使这种纤维吸液芯平板微热管在实际应用中工作在最佳状态下,充分发挥纤维吸液芯结构的优越性,本文利用所建立的理论模型对纤维吸液芯平板微热管进行了结构优化,即研究其结构参数与性能之间的关系。具体分析了工质的接触角和气化潜热、吸液芯纤维的层数和直径、绝热段的长度三类结构参数对微热管性能的影响规律,从而得出这种新型平板微热管优化设计的理论依据和优化设计结果。 最后,本文建立了一套适用于纤维吸液芯结构平板微热管工艺流程,实现了这种新型平板微热管,并搭建了测试系统,对其进行性能实测研究。分别测试了微热管在不同热载荷下的温度特性,根据热管两端温差随输入热量的变化得出其最大传热能力。将测试结果与理论计算结果进行比较,验证了模型能够准确计算微热管的最大传热能力。然后通过实验分别研究了工质、吸液芯纤维直径及绝热段长度对微热管性能的影响。并将所测结果与理论模型对微热管结构参数的分析结果进行比对,均取得了很好的一致性。至此,理论和实验研究一致表明这种新型基于纤维吸液芯结构的平板微热管能够有效提高现有平板微热管的传热能力、降低其工艺难度,具有广阔的应用前景,并且对新型高效平板微热管的设计和研究具有一定指导意义。


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