新型超薄热管的传热特性实验研究

发布时间：2020-08-01 10:56

【摘要】：电子设备的小型化、高度集成化以及高功率等对散热技术提出了新的挑战,超薄热管(ultra-thin heat pipe,UTHP)作为一种被动式相变传热装置,是解决电子设备在狭小空间内散热问题的理想工具。吸液芯是热管最重要的部件,目前超薄热管中的吸液芯结构简单、尺度单一,热管的传热特性很容易受到限制,无法满足更高功率电子设备的散热需求。基于此,本文研制了总厚度为1.30mm的新型超薄热管,其内部吸液芯为多尺度复合结构,包括多孔介质底层(porous layer,PL)和多孔介质丝(porous wire,PW),利用化学的方法对吸液芯和冷凝表面进行了改性处理。本文设置了四种实验样品:#1样品属于传统的铜丝平板热管,#2～#4样品内部的吸液芯为新型的多尺度复合结构。#2样品的吸液芯与冷凝表面均未改性,具有亲水性能;#3样品的吸液芯表面长有纳米结构,具有超亲水特性,而冷凝表面未改性;#4样品的吸液芯和冷凝表面长有不同的纳米结构,分别具有超亲水和超疏水性能。本文详细地叙述了这四种样品的加工过程,并对其内部微观结构进行表征;利用吸水实验分析了吸液芯的吸水能力,探究了重力、纳米结构以及吸液芯结构对吸水特性的影响规律;通过热态实验研究了吸液芯结构、纳米结构、充液比及倾角等对热性能的影响,并分析了热管的均温性能。本文研制的新型多尺度复合吸液芯结构,结构新颖,实现了热管内部汽-液相分离,平衡了多个参数之间的矛盾。本文提出了多孔介质丝的新型加工工艺,并优化了复合吸液芯成型及热管封装过程,与传统的热管制备工艺相比,本文的制备过程简单、高效,具有一定的商业价值。观察了热管内部的微观结构,纳米结构改变了吸液芯和冷凝表面的浸润性和结构属性,在热管内部形成了纳米-微米-厘米的多尺度结构。吸液芯的吸水能力是浸润性、毛细力以及粘性阻力综合作用的结果,吸水实验表明:本文设计的吸液芯能够反重力吸液,并且在重力辅助情况下吸液速度更快;纳米结构增强了吸液芯表面的浸润性,一定程度上降低了多孔介质的有效孔径,增强吸液芯的毛细力,但同时也增大了粘性阻力;在吸液芯干燥的情况下,粘性阻力的作用较弱,纳米结构能提高吸液速度;吸液速度呈现出前期较快而后期逐步减小的特征;液滴被多孔介质丝吸入的时间最长,被多孔介质底层吸入的时间最短,而被组合吸液芯吸入的时间介于以上两者之间。热管的传热特性由蒸发段和冷凝段的传热特性共同决定,蒸发段和冷凝段的共同作用使#2和#3样品在较小功率下总热阻随功率的变化曲线几乎重合。吸液芯表面的纳米结构对热性能的影响与充液量有关。当吸液芯中的液体较少时,纳米结构促进了沸腾传热和冷凝液体的回流效率,提高了热管的传热性能;当吸液芯中的液体充足时,纳米结构会增大吸液芯中蒸汽溢出阻力和液体流动阻力,限制了热管的传热性能。#1～#3样品的冷凝机理为膜状冷凝,冷凝液膜厚度影响热管的冷凝传热效果,超亲水吸液芯能够促进冷凝液体的吸收,减薄冷凝液膜厚度,促进冷凝传热;#4样品的冷凝机理为滴状冷凝,滴状冷凝机理缩短了冷凝液体回流的路径,提高了冷凝液体回流的效率。#4样品在任何冲液比工况下,都能够承受较高的热流密度,但是冷凝表面的自组装层作为附加热阻,增大了#4样品的总热阻;无纳米结构的样品适合在大充液比工况下运行,含有纳米结构的样品在小充液比工况下运行效果更佳。重力对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段正下方时,热管的传热性能最佳。#2和#3样品的冷凝表面温度梯度较小,冷凝段与绝热段之间的温差不大;而#4样品具有热阻较大的自组装层,其冷凝表面的温度梯度较大,冷凝段与绝热段之间存在较大的温差。本文设计的新型超薄热管的传热性能良好,最大功率是普通铜丝平板热管的9.5～16.4倍,最高当量导热系数是纯铜板的28.9～58.5倍。#2样品的最佳传热性能在所有样品中是最优的,最大功率可达83.7 W,最小总热阻仅有0.1651 K/W,最高当量导热系数为23288.7 W/(m·K)。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172.4;TK124
【图文】：

电子设备,散热冷却,热流密度,散热方式

普通电子芯片的热流密度为６０？１００邋Ｗ／ｃｍ２，有的甚至已达到５００邋Ｗ／ｃｍ２以逡逑上如此高的热流密度，若散热＋利，将严重影响芯片的性能。数据表明，逡逑电ｆ设备失效的原因中有５５％是因为散热不利，如图１－１所示，并且芯片的温度逡逑每升高１ＣＴＣ，其寿命将会减半，可靠性急剧降低１４邋５１。因此，亟需高效的散热技逡逑术来解决高热流密度电子设备的散热冷却Ｎ题，这是国内外学者研究的热点１６１。逡逑．Ｄｕｓｔ逡逑Ｈｕｊｍ（ｈ！ｙ逡逑．．ｒ邋ｔ逦Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ逡逑ｒｏｍｐｃｒａｔｕｒｃ逦ｊ逡逑图１－１电子设备失效的原因ｍ逡逑针对电子设备散热冷却，目前的散热方式可分为四大类，散热方式及其ｋＴ承逡逑受的热流密度范围为：０然对流散热（０．０１５５？０．１５５邋Ｗ／ｃｍ２）、强迫窄Ｕ对流散热逡逑（０．０８￣邋１．６邋Ｗ／ｃｍ２）、强迫液体对流散热（１．１？９３邋Ｗ／ｃｍ２）以及液体蒸发散热逡逑（１５．５￣１４０邋Ｗ／ｃｍ２）邋１７１。随着电子设备功率的提高，自然对流故热己经无法满足逡逑目前大多数电子设备的散热需求；强迫空气对流散热里然其故热效率高十自然对逡逑流散热，并在电脑ＣＰＵ等电子设备中打所应Sl，似其散热冷却能力是打限的；逡逑Ｉ逡逑

热管,工作原理图,冷凝段,蒸发段

华北电力大学硕士学位论文逡逑由气态转变为液态的区域为冷凝段，蒸发段和冷凝段之间的区域为绝热段。超薄逡逑热管的工作原理与普通热管相同，如图１－２所示，有外部热量输入时，蒸发段内逡逑部的工质在高真空状态下吸热后迅速汽化，蒸发段形成局部高压，蒸发段与冷凝逡逑段之间的压力差驱动蒸汽沿着蒸汽通道流动至冷凝段，冷凝段温度相对较低，蒸逡逑汽遇冷后迅速液化并释放出热量，热量经过冷凝表面传递到外界，冷凝段的吸液逡逑芯吸收冷凝液体，在毛细力的驱动下冷凝液体Q嬃鞯秸舴⒍卧俅挝绕瓿慑义险鲅贰ｅ义先龋邮淙脲稳龋褪涑鲥义希桑桑慑卫淠禾邋挝盒惧澹驽澹澹鬵逡逑／邋／邋逦逡逑丨》：：二一二〈〈逡逑ｔ邋ｔ邋ｔ逦ＭＭ逡逑１蒸发段逦绝热段逦冷凝段＇逡逑图１－２热管的工作原理图逡逑在实际应用中，超薄热管的厚度邋＇般低２邋ｍｍ，邋Ｓ传统热管相比，超薄热逡逑管最大的特点就是厚度薄、尺、丨小｜２１１，其基本的特扯如下：（１）尺寸小、重量逡逑轻，更适用于紧凑型电子设备的eW热，有利于减轻屯丫？设备的重量，降低成木：逡逑（２）传热性能优越

热管,图片

图卜４超薄环路热管１２２１逡逑作为高效的被动式相变传热装置，超薄热管己经广泛应用于各种高热流密度逡逑电ｆ设备，如图１－５所示。在航空航天领域，卫星的重量和体积受到很严格的限逡逑制，其内部空间有限，所用的电子设备高度紧凑，会产生极高的热流，超薄热管逡逑体积小、重量轻，己广泛应用在卫星上［２４］；在日常生活中，随着科技进步和人逡逑们需求的变化，经常使用的笔记本电脑、手机以及平板电脑等电子产品的厚度越逡逑来越薄，性能越来越高，热流密度也越来越大，在狭小的空间里，需要超薄热管逡逑进行散热，防止产生的高温导致电子产品性能下降甚至烧毁｜２５＿２＇随着电动汽车逡逑行业的快速发展，燃料电池的需求量大大增加，功率也越来越大，燃料电池的散逡逑热卒间是有限的，利用热管进行散热，比传统散热方式更具优势｜２８｜；激光器在逡逑运转过程中会产生大量的废热

【参考文献】