【摘要】：電子設(shè)備的小型化、高度集成化以及高功率等對散熱技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),超薄熱管(ultra-thin heat pipe,UTHP)作為一種被動(dòng)式相變傳熱裝置,是解決電子設(shè)備在狹小空間內(nèi)散熱問題的理想工具。吸液芯是熱管最重要的部件,目前超薄熱管中的吸液芯結(jié)構(gòu)簡單、尺度單一,熱管的傳熱特性很容易受到限制,無法滿足更高功率電子設(shè)備的散熱需求�；诖�,本文研制了總厚度為1.30mm的新型超薄熱管,其內(nèi)部吸液芯為多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu),包括多孔介質(zhì)底層(porous layer,PL)和多孔介質(zhì)絲(porous wire,PW),利用化學(xué)的方法對吸液芯和冷凝表面進(jìn)行了改性處理。本文設(shè)置了四種實(shí)驗(yàn)樣品:#1樣品屬于傳統(tǒng)的銅絲平板熱管,#2～#4樣品內(nèi)部的吸液芯為新型的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)。#2樣品的吸液芯與冷凝表面均未改性,具有親水性能;#3樣品的吸液芯表面長有納米結(jié)構(gòu),具有超親水特性,而冷凝表面未改性;#4樣品的吸液芯和冷凝表面長有不同的納米結(jié)構(gòu),分別具有超親水和超疏水性能。本文詳細(xì)地?cái)⑹隽诉@四種樣品的加工過程,并對其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征;利用吸水實(shí)驗(yàn)分析了吸液芯的吸水能力,探究了重力、納米結(jié)構(gòu)以及吸液芯結(jié)構(gòu)對吸水特性的影響規(guī)律;通過熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究了吸液芯結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、充液比及傾角等對熱性能的影響,并分析了熱管的均溫性能。本文研制的新型多尺度復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)新穎,實(shí)現(xiàn)了熱管內(nèi)部汽-液相分離,平衡了多個(gè)參數(shù)之間的矛盾。本文提出了多孔介質(zhì)絲的新型加工工藝,并優(yōu)化了復(fù)合吸液芯成型及熱管封裝過程,與傳統(tǒng)的熱管制備工藝相比,本文的制備過程簡單、高效,具有一定的商業(yè)價(jià)值。觀察了熱管內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),納米結(jié)構(gòu)改變了吸液芯和冷凝表面的浸潤性和結(jié)構(gòu)屬性,在熱管內(nèi)部形成了納米-微米-厘米的多尺度結(jié)構(gòu)。吸液芯的吸水能力是浸潤性、毛細(xì)力以及粘性阻力綜合作用的結(jié)果,吸水實(shí)驗(yàn)表明:本文設(shè)計(jì)的吸液芯能夠反重力吸液,并且在重力輔助情況下吸液速度更快;納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了吸液芯表面的浸潤性,一定程度上降低了多孔介質(zhì)的有效孔徑,增強(qiáng)吸液芯的毛細(xì)力,但同時(shí)也增大了粘性阻力;在吸液芯干燥的情況下,粘性阻力的作用較弱,納米結(jié)構(gòu)能提高吸液速度;吸液速度呈現(xiàn)出前期較快而后期逐步減小的特征;液滴被多孔介質(zhì)絲吸入的時(shí)間最長,被多孔介質(zhì)底層吸入的時(shí)間最短,而被組合吸液芯吸入的時(shí)間介于以上兩者之間。熱管的傳熱特性由蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱特性共同決定,蒸發(fā)段和冷凝段的共同作用使#2和#3樣品在較小功率下總熱阻隨功率的變化曲線幾乎重合。吸液芯表面的納米結(jié)構(gòu)對熱性能的影響與充液量有關(guān)。當(dāng)吸液芯中的液體較少時(shí),納米結(jié)構(gòu)促進(jìn)了沸騰傳熱和冷凝液體的回流效率,提高了熱管的傳熱性能;當(dāng)吸液芯中的液體充足時(shí),納米結(jié)構(gòu)會(huì)增大吸液芯中蒸汽溢出阻力和液體流動(dòng)阻力,限制了熱管的傳熱性能。#1～#3樣品的冷凝機(jī)理為膜狀冷凝,冷凝液膜厚度影響熱管的冷凝傳熱效果,超親水吸液芯能夠促進(jìn)冷凝液體的吸收,減薄冷凝液膜厚度,促進(jìn)冷凝傳熱;#4樣品的冷凝機(jī)理為滴狀冷凝,滴狀冷凝機(jī)理縮短了冷凝液體回流的路徑,提高了冷凝液體回流的效率。#4樣品在任何沖液比工況下,都能夠承受較高的熱流密度,但是冷凝表面的自組裝層作為附加熱阻,增大了#4樣品的總熱阻;無納米結(jié)構(gòu)的樣品適合在大充液比工況下運(yùn)行,含有納米結(jié)構(gòu)的樣品在小充液比工況下運(yùn)行效果更佳。重力對熱管的熱性能影響較大,當(dāng)蒸發(fā)段位于冷凝段正下方時(shí),熱管的傳熱性能最佳。#2和#3樣品的冷凝表面溫度梯度較小,冷凝段與絕熱段之間的溫差不大;而#4樣品具有熱阻較大的自組裝層,其冷凝表面的溫度梯度較大,冷凝段與絕熱段之間存在較大的溫差。本文設(shè)計(jì)的新型超薄熱管的傳熱性能良好,最大功率是普通銅絲平板熱管的9.5～16.4倍,最高當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)是純銅板的28.9～58.5倍。#2樣品的最佳傳熱性能在所有樣品中是最優(yōu)的,最大功率可達(dá)83.7 W,最小總熱阻僅有0.1651 K/W,最高當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為23288.7 W/(m·K)。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK172.4;TK124
【圖文】：

普通電子芯片的熱流密度為６０？１００邋Ｗ／ｃｍ２，有的甚至已達(dá)到５００邋Ｗ／ｃｍ２以逡逑上如此高的熱流密度，若散熱＋利，將嚴(yán)重影響芯片的性能。數(shù)據(jù)表明，逡逑電ｆ設(shè)備失效的原因中有５５％是因?yàn)樯岵焕�，如圖１－１所示，并且芯片的溫度逡逑每升高１ＣＴＣ，其壽命將會(huì)減半，可靠性急劇降低１４邋５１。因此，亟需高效的散熱技逡逑術(shù)來解決高熱流密度電子設(shè)備的散熱冷卻Ｎ題，這是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)１６１。逡逑．Ｄｕｓｔ逡逑Ｈｕｊｍ（ｈ�。义希蝈澹暨姡郑椋猓颍幔簦椋铮铄义希颍铮恚穑悖颍幔簦酰颍氵姡赍义蠄D１－１電子設(shè)備失效的原因ｍ逡逑針對電子設(shè)備散熱冷卻，目前的散熱方式可分為四大類，散熱方式及其ｋＴ承逡逑受的熱流密度范圍為：０然對流散熱（０．０１５５？０．１５５邋Ｗ／ｃｍ２）、強(qiáng)迫窄Ｕ對流散熱逡逑（０．０８￣邋１．６邋Ｗ／ｃｍ２）、強(qiáng)迫液體對流散熱（１．１？９３邋Ｗ／ｃｍ２）以及液體蒸發(fā)散熱逡逑（１５．５￣１４０邋Ｗ／ｃｍ２）邋１７１。隨著電子設(shè)備功率的提高，自然對流故熱己經(jīng)無法滿足逡逑目前大多數(shù)電子設(shè)備的散熱需求；強(qiáng)迫空氣對流散熱里然其故熱效率高十自然對逡逑流散熱，并在電腦ＣＰＵ等電子設(shè)備中打所應(yīng)Sl，似其散熱冷卻能力是打限的；逡逑Ｉ逡逑

華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的區(qū)域?yàn)槔淠�，蒸發(fā)段和冷凝段之間的區(qū)域?yàn)榻^熱段。超薄逡逑熱管的工作原理與普通熱管相同，如圖１－２所示，有外部熱量輸入時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)逡逑部的工質(zhì)在高真空狀態(tài)下吸熱后迅速汽化，蒸發(fā)段形成局部高壓，蒸發(fā)段與冷凝逡逑段之間的壓力差驅(qū)動(dòng)蒸汽沿著蒸汽通道流動(dòng)至冷凝段，冷凝段溫度相對較低，蒸逡逑汽遇冷后迅速液化并釋放出熱量，熱量經(jīng)過冷凝表面?zhèn)鬟f到外界，冷凝段的吸液逡逑芯吸收冷凝液體，在毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)下冷凝液體Q嬃韉秸舴⒍臥俅撾繞瓿懾義險(xiǎn)鲅貳ｅ義先齲郵淙脲穩(wěn)齲褪涑鰣義希桑桑懾衛(wèi)淠禾邋撾盒懼澹駑澹澹鬵逡逑／邋／邋邐逡逑丨》：：二一二〈〈逡逑ｔ邋ｔ邋ｔ邐ＭＭ逡逑１蒸發(fā)段邐絕熱段邐冷凝段＇逡逑圖１－２熱管的工作原理圖逡逑在實(shí)際應(yīng)用中，超薄熱管的厚度邋＇般低２邋ｍｍ，邋Ｓ傳統(tǒng)熱管相比，超薄熱逡逑管最大的特點(diǎn)就是厚度薄、尺、丨�。玻保�，其基本的特扯如下：（１）尺寸小、重量逡逑輕，更適用于緊湊型電子設(shè)備的eW熱，有利于減輕屯丫？設(shè)備的重量，降低成木：逡逑（２）傳熱性能優(yōu)越

圖卜４超薄環(huán)路熱管１２２１逡逑作為高效的被動(dòng)式相變傳熱裝置，超薄熱管己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種高熱流密度逡逑電ｆ設(shè)備，如圖１－５所示。在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星的重量和體積受到很嚴(yán)格的限逡逑制，其內(nèi)部空間有限，所用的電子設(shè)備高度緊湊，會(huì)產(chǎn)生極高的熱流，超薄熱管逡逑體積小、重量輕，己廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星上［２４］；在日常生活中，隨著科技進(jìn)步和人逡逑們需求的變化，經(jīng)常使用的筆記本電腦、手機(jī)以及平板電腦等電子產(chǎn)品的厚度越逡逑來越薄，性能越來越高，熱流密度也越來越大，在狹小的空間里，需要超薄熱管逡逑進(jìn)行散熱，防止產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致電子產(chǎn)品性能下降甚至燒毀｜２５＿２＇隨著電動(dòng)汽車逡逑行業(yè)的快速發(fā)展，燃料電池的需求量大大增加，功率也越來越大，燃料電池的散逡逑熱卒間是有限的，利用熱管進(jìn)行散熱，比傳統(tǒng)散熱方式更具優(yōu)勢｜２８｜；激光器在逡逑運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 徐計(jì)元;鄒勇;程林;;環(huán)路熱管復(fù)合毛細(xì)芯的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2012年23期

本文編號(hào)：2777366