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超薄平板热管的制作工艺及其传热性能研究

朱明汉  
【摘要】:随着电子设备的日益发展,微型化、高性能成为核心的技术点。但是所带来的热流密度增大问题,会导致电子设备的性能出现明显下降甚至出现失效,因此需要更加高效的散热方式。热管作为一种相变传热元件,由于其优异的性能被越来越多的应用于高性能电子设备上。其中厚度小且性能优异的超薄平板热管更能有效地解决狭窄空间的散热问题。本文针对平板热管散热的研究,首先探讨了毛细芯结构、成形工艺、毛细芯工艺参数并综述了国内外研究进展。从使用背景和实际生产工艺出发设计并制作了一种采用槽道多孔结构的超薄平板热管,详细的介绍了制作流程,并通过实验得到了两种不同冷却形式下超薄平板热管的传热性能。主要工作包括:(1)对毛细芯结构进行了介绍并选择铜粉作为槽道多孔结构的主体材料,对槽道多孔结构应用于热管进行可行性设计和制作。制作了厚度为2.5 mm的铜-水超薄平板热管。在热管底板上烧结有槽道多孔结构,该结构可以使气态工质和液态工质沿着长度方向分开流动,减少剪切力,同时该结构本身亦可以作为支撑结构,减少支撑柱的摆放,具有结构简单、制作方便的特点。通过浸泡介质法计算了不同粒径毛细芯的孔隙率,并通过扫描电镜对其进行表面观测,对毛细芯的毛细力和渗透率进行了简单的分析。对超薄平板热管的制作步骤进行研究和优化,根据本文所提出的平板热管制定了详细的制作工艺路线。(2)研究了水循环冷却下加热功率、铜粉宽度和槽道宽度比例、铜粉粒径对热管性能的影响。实验结果表明:本文所提出的超薄平板热管在加热功率改变后能在10分钟左右重新达到稳定状态,说明热管具有良好的响应性能。铜粉宽度和槽道宽度比例过大或者过小都会影响热管性能,前者影响蒸汽排出阻力,后者主要影响蒸发面积和内部压强。对于铜粉粒径,大粒径热管的热阻和传热极限均大于小粒径热管。大粒径热管的热阻和传热极限分别是0.079°C/W、80 W,而小粒径热管的热阻和传热极限分别是0.049°C/W、60 W。(3)研究了自然冷却下加热功率、倾斜角、表面特性对热管性能的影响。实验结果表明:加热功率改变后,热管的轴向温度分布不随轴向单调递减,热管冷凝段尾部会出现温度先升后降的情况。倾斜角对热管蒸发段温度的影响主要是由于自然对流换热系数的变化,而轴向温差主要是由于重力对冷凝段液态工质回流的影响。在自然冷却下可以通过提高热管表面的发射率改善热管性能,在加热功率为9 W时,蒸发段温度能下降10.3°C。


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