顶部连通型微通道中流动沸腾换热的实验研究
发布时间：2020-11-10 13:29
随着科学技术的进步,单位面积集成的电子元件个数不断增加,造成电子设备单位面积的热流密度大幅提升,而设备的性能和寿命与散热能力密切相关,如何快速有效地将电子元器件产生的热量及时带走是一项重要且艰巨的任务。相变过程中由于流体从液态转变为气态时吸收大量的汽化潜热,可以实现有效散热,因而,基于微通道中流动沸腾换热的冷却技术在微电子设备散热领域有着巨大的应用前景。传统的普通型微通道中,在肋壁的限制作用下,气泡迅速长大充满整个通道截面后只能沿着微通道长度方向伸长,气泡对通道的堵塞效应以及并连通道相变过程的不同步,使得并连通道之间存在压差,造成并联微通道之间的流体分布不均及流量、温度等大幅脉动,引起较大的热应力,导致芯片热疲劳损毁。针对普通微通道中相变传热不稳定导致传热恶化问题,本文设计并加工了一种新型的顶部连通型微通道相变冷却器,通过在并连通道上方设置连通腔实现通道间的压力平衡,从而改善传热性能。对比研究了该新型微通道相变冷却器与普通微通道相变冷却器的换热性能,探索了微通道结构及放置方向对流动沸腾过程中流型及换热特性的影响。为进一步提高沸腾换热系数和临界热流密度,在新型顶部连通型微通道相变换热器表面制备了纳米Ag/Ni复合结构,通过实验获取了微纳米复合结构对沸腾换热和流型的影响。实验发现了普通型及顶部连通型微通道相变冷却器均存在核态沸腾和薄液膜蒸发两种传热机理,顶部连通型微通道对核态沸腾和薄液膜蒸发换热模式均有强化作用,使得换热系数显著提高。计算表明,在竖直放置条件和水平放置条件下,顶部连通型微通道与普通微通道相比,其平均换热系数分别最大提高了 136%和32%。本实验还研究了通道放置方向对流动沸腾换热特性的影响,发现通道放置方向对普通微通道和顶部连通型微通道的影响特性截然相反,即对于普通微通道,水平放置条件下的平均换热系数hhn大于竖直放置的平均换热系数hvn,当工质质量流量G=0.95g/s,沸腾数Bo=0.0028时,平均换热系数hhm与hvn之比达到最大值1.34;对于顶部连通型微通道,竖直放置条件的平均换热系数hvo大于水平放置的平均换热系数hho,当工质质量流量G=0.54g/s,沸腾数Bo=0.0019时,其平均换热系数hvo与hho之比达到最大值1.53。通过在顶部连通型微通道电刷镀Ag/Ni微纳复合结构,研究了微结构对顶部连通型微通道内沸腾换热的影响。发现微纳结构在微通道不同方向放置条件下均能够显著强化传热,在竖直放置及水平放置条件下,电刷镀有Ag/Ni微纳复合结构的顶部连通型微通道换热系数分别较普通的顶部连通型微通道换热系数高出228%和404%。针对放置方向的影响,研究发现对于具有Ag/Ni微纳复合结构顶部连通型微通道换热器的平均换热系数在水平放置条件下显著高于竖直放置,最大提高了 97%。通过在顶部连通型微通道表面电刷镀微纳复合结构,临界热流密度CHF获得显著提升,当工质质量流量G=0.54g/s时,微纳复合结构使得表面临界热流密度CHF最大提升了 33%。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：
热力法（喷涂、烧结）以及机械加工法（微针肋、滚花）［ＩＨ８１。??Ｙａｎ等ｔｌ９＠使用烧结铜颗粒的方法将粒径分别为２０师、５０，、１２０ｐｍ的铜颗??粒烧结到铜质微通道表面，分别记作Ｐ２０、Ｐ５０、Ｐ１２０，如图１－１所示，实验工质为??ＦＣ－７２，。实验结果表明烧结有铜颗粒的三种表面与裸铜表面相比，换热系数均有增??力丨Ｊ，其中Ｐ５０表面换热系数增加率最大，为６９２％，Ｐ１２０与Ｐ２０表面换热系数增加??率分别为５９６％和４２４％。??ＥＨＴ?＝?ＩＣ．ＯＤ＾?Ｓｋｊｒｖ？ｌ?Ａ?－?ＳＥ＇?）ＯＣ？ｃ?２０１０?１??Ｗ０：ｉ２．Ｃｍｎ?断〇?１．Ｃ０ＫＸ?Ｔ？ｎｏ?：？＞４？；５７?ｐ｜｜＾｜?｜??图１－１?Ｐ２０表面ＳＥＭ照片??八太．＾＼１等［２１］使用去离子水作工质，在铜质微通道表面制作铜纳米线涂层，研??究流动沸腾换热过程。结果发现在工质入口温度为２２°Ｃ，质量流速分别为４５．９?ｋｇ?／??ｍ２ｓ和１４３．８?ｋｇ／ｎｆ?ｓ的条件下，涂层表面相较于裸铜表面换热系数分别提高了?１６％??和１８％。在工质的质量流速为固定值２５１?ｋｇ／ｍ２?ｓ，工质入口温度分别为４０°Ｃ和８０°Ｃ??的条件下，涂层表面相较于裸铜表面的换热系数提高了?２３％和５６％。??Ｃ．Ｓ．Ｓｕｊｉｔｈ等１２２１在铜质微通道表面分别制作碳纳米管涂层和金刚石涂层
华北电力大学硕士学位论文??组表面进行喷砂处理，如图１－２所示，实验工质为去离子水。实验发现碳纳米管涂??层表面换热系数与另外两组表面相比换热系数显著提升，尤其是在工质质量流速为??２８３ｋｇ／ｎｆ?ｓ的实验条件下，碳纳米管涂层表面相较于喷砂处理的表面换热系数最大??提高了?３０．８６％，并且换热系数随着热流密度的增加而增大。当工质质量流速大于??２８３ｋｇ／ｍ２?ｓ时，碳纳米管涂层表面的换热系数增加率随着质量流速的增加而降低。??■Ｈ??图１－２喷砂铜表面、金刚石涂层铜表而、碳纳米管涂层铜表面ＳＥＭ照ＪＶ??丫〇８＾１！等［２３１制作了三种不同形状结构的微通道，分别为：均匀横截面结构、渐??扩型横截面结构、分段肋片型横截面结构，如图１－３所示，使用去离子水作实验工??质，研究不同结构微通道内流动沸腾过程。结采发现当工质质量流速分别为：１３０?ｋｇ??／ｎｆｓ、１９４．７?ｋｇ／ｍ２ｓ、２６０?ｋｇ／ｍ２ｓ和３２４．５?ｋｇ／ｍ３ｓ的条件丨、＇
华北电力大学硕士学位论文??组表面进行喷砂处理，如图１－２所示，实验工质为去离子水。实验发现碳纳米管涂??层表面换热系数与另外两组表面相比换热系数显著提升，尤其是在工质质量流速为??２８３ｋｇ／ｎｆ?ｓ的实验条件下，碳纳米管涂层表面相较于喷砂处理的表面换热系数最大??提高了?３０．８６％，并且换热系数随着热流密度的增加而增大。当工质质量流速大于??２８３ｋｇ／ｍ２?ｓ时，碳纳米管涂层表面的换热系数增加率随着质量流速的增加而降低。??■Ｈ??图１－２喷砂铜表面、金刚石涂层铜表而、碳纳米管涂层铜表面ＳＥＭ照ＪＶ??丫〇８＾１！等［２３１制作了三种不同形状结构的微通道，分别为：均匀横截面结构、渐??扩型横截面结构、分段肋片型横截面结构，如图１－３所示，使用去离子水作实验工??质，研究不同结构微通道内流动沸腾过程。结采发现当工质质量流速分别为：１３０?ｋｇ??／ｎｆｓ、１９４．７?ｋｇ／ｍ２ｓ、２６０?ｋｇ／ｍ２ｓ和３２４．５?ｋｇ／ｍ３ｓ的条件丨、＇
【参考文献】
本文编号：2877985
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：
热力法（喷涂、烧结）以及机械加工法（微针肋、滚花）［ＩＨ８１。??Ｙａｎ等ｔｌ９＠使用烧结铜颗粒的方法将粒径分别为２０师、５０，、１２０ｐｍ的铜颗??粒烧结到铜质微通道表面，分别记作Ｐ２０、Ｐ５０、Ｐ１２０，如图１－１所示，实验工质为??ＦＣ－７２，。实验结果表明烧结有铜颗粒的三种表面与裸铜表面相比，换热系数均有增??力丨Ｊ，其中Ｐ５０表面换热系数增加率最大，为６９２％，Ｐ１２０与Ｐ２０表面换热系数增加??率分别为５９６％和４２４％。??ＥＨＴ?＝?ＩＣ．ＯＤ＾?Ｓｋｊｒｖ？ｌ?Ａ?－?ＳＥ＇?）ＯＣ？ｃ?２０１０?１??Ｗ０：ｉ２．Ｃｍｎ?断〇?１．Ｃ０ＫＸ?Ｔ？ｎｏ?：？＞４？；５７?ｐ｜｜＾｜?｜??图１－１?Ｐ２０表面ＳＥＭ照片??八太．＾＼１等［２１］使用去离子水作工质，在铜质微通道表面制作铜纳米线涂层，研??究流动沸腾换热过程。结果发现在工质入口温度为２２°Ｃ，质量流速分别为４５．９?ｋｇ?／??ｍ２ｓ和１４３．８?ｋｇ／ｎｆ?ｓ的条件下，涂层表面相较于裸铜表面换热系数分别提高了?１６％??和１８％。在工质的质量流速为固定值２５１?ｋｇ／ｍ２?ｓ，工质入口温度分别为４０°Ｃ和８０°Ｃ??的条件下，涂层表面相较于裸铜表面的换热系数提高了?２３％和５６％。??Ｃ．Ｓ．Ｓｕｊｉｔｈ等１２２１在铜质微通道表面分别制作碳纳米管涂层和金刚石涂层
华北电力大学硕士学位论文??组表面进行喷砂处理，如图１－２所示，实验工质为去离子水。实验发现碳纳米管涂??层表面换热系数与另外两组表面相比换热系数显著提升，尤其是在工质质量流速为??２８３ｋｇ／ｎｆ?ｓ的实验条件下，碳纳米管涂层表面相较于喷砂处理的表面换热系数最大??提高了?３０．８６％，并且换热系数随着热流密度的增加而增大。当工质质量流速大于??２８３ｋｇ／ｍ２?ｓ时，碳纳米管涂层表面的换热系数增加率随着质量流速的增加而降低。??■Ｈ??图１－２喷砂铜表面、金刚石涂层铜表而、碳纳米管涂层铜表面ＳＥＭ照ＪＶ??丫〇８＾１！等［２３１制作了三种不同形状结构的微通道，分别为：均匀横截面结构、渐??扩型横截面结构、分段肋片型横截面结构，如图１－３所示，使用去离子水作实验工??质，研究不同结构微通道内流动沸腾过程。结采发现当工质质量流速分别为：１３０?ｋｇ??／ｎｆｓ、１９４．７?ｋｇ／ｍ２ｓ、２６０?ｋｇ／ｍ２ｓ和３２４．５?ｋｇ／ｍ３ｓ的条件丨、＇
华北电力大学硕士学位论文??组表面进行喷砂处理，如图１－２所示，实验工质为去离子水。实验发现碳纳米管涂??层表面换热系数与另外两组表面相比换热系数显著提升，尤其是在工质质量流速为??２８３ｋｇ／ｎｆ?ｓ的实验条件下，碳纳米管涂层表面相较于喷砂处理的表面换热系数最大??提高了?３０．８６％，并且换热系数随着热流密度的增加而增大。当工质质量流速大于??２８３ｋｇ／ｍ２?ｓ时，碳纳米管涂层表面的换热系数增加率随着质量流速的增加而降低。??■Ｈ??图１－２喷砂铜表面、金刚石涂层铜表而、碳纳米管涂层铜表面ＳＥＭ照ＪＶ??丫〇８＾１！等［２３１制作了三种不同形状结构的微通道，分别为：均匀横截面结构、渐??扩型横截面结构、分段肋片型横截面结构，如图１－３所示，使用去离子水作实验工??质，研究不同结构微通道内流动沸腾过程。结采发现当工质质量流速分别为：１３０?ｋｇ??／ｎｆｓ、１９４．７?ｋｇ／ｍ２ｓ、２６０?ｋｇ／ｍ２ｓ和３２４．５?ｋｇ／ｍ３ｓ的条件丨、＇
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 南辉;贺晔红;王鸿灵;刘亮;阎逢元;;环氧粘合剂粘接聚四氟乙烯板/不锈钢的耐温性研究[J];工程塑料应用;2013年03期
2 雷武;;聚四氟乙烯塑料在防腐工程中的应用[J];化工之友;1995年04期
本文编号：2877985
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