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高性能微槽群相变散热系统的研究

胡学功  
【摘要】:作为一种新兴的微通道相变换热技术,毛细微槽群蒸发热沉由于能依靠毛细力驱动液体流动,并易于在微槽内三相接触线区域促进扩展弯月面薄液膜的形成,创造高强度的蒸发换热条件,因而能够被用来实现极高换热系数和热流密度的换热过程。 本文旨在通过对竖直矩形毛细微槽群蒸发热沉单元的实验与理论研究,揭示液体在竖直矩形毛细微槽中的润湿(干涸)、流动和高强度相变换热机理,并在此基础上,研究开发出具有自主知识产权的高性能微槽群相变散热系统,满足大功率激光器、微电子器件以及高性能计算机芯片的冷却需求。 本文首先利用30000帧/秒的高速摄像仪、CCD和宽视场体视显微镜相结合的可视化观察与测量技术,对微槽内液体的润湿与干涸特性、蒸发与沸腾景象以及汽泡动力学行为进行了观测,并对微槽内的液体的润湿和相变换热特性及其影响因素进行了实验研究。实验结果表明:汽泡的动力学行为对微槽内的液体润湿高度和相变换热能力有强化作用。竖直矩形毛细微槽中存在有两种高强度的相变换热机制。一种是较低热负荷下的单一的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中薄液膜的高强度蒸发换热机制(纯蒸发模式);另一种是高负荷下(槽内有沸腾现象时)的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜高强度蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸腾的联合换热机制。微槽群的几何尺寸对微槽内液体的润湿和相变换热特性有显著影响。在实验研究的基础上,本文对竖直矩形毛细微槽中液体润湿特性进行了理论研究。所提出的描述竖直矩形毛细微槽中液体润湿特性的理论模型能较好地反映纯蒸发与沸腾两种情形下液体在微槽内的润湿特性以及与相变换热特性之间的相互影响。 在对竖直矩形毛细微槽群热沉单元进行研究的基础上,本文研究开发了高性能的自然冷却式和强制水冷式两种微槽群相变散热系统,对其中的自然冷却式微槽群相变散热系统的热阻、压降以及传热特性进行了实验和理论研究。实验研究结果表明:工质的充液率对系统的热阻和传热特性有显著影响。在较高的输入加热功率下,系统高强度的散热能力的继续提高将在很大程度上取决于冷凝器外壁


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