【摘要】：隨著電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,電子設(shè)備的散熱問題越來越受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。環(huán)路熱管(Loop Heat Pipe,LHP)是一種通過蒸發(fā)器內(nèi)毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)壓力來驅(qū)動(dòng)工作介質(zhì)流動(dòng),利用工作介質(zhì)的相變過程來傳遞熱量的高效傳熱裝置。平板型環(huán)路熱管的蒸發(fā)器形狀為平板狀,其具有受熱面積大,所占空間高度小,與發(fā)熱元件貼合更加緊密,有利于減少熱阻等優(yōu)點(diǎn),更適用于內(nèi)部空間有限、發(fā)熱量大、熱流密度高的電子器件散熱。LHP的蒸發(fā)器受熱后,熱量被導(dǎo)入蒸發(fā)器內(nèi)部毛細(xì)芯,芯內(nèi)工質(zhì)受熱后蒸發(fā),工質(zhì)進(jìn)入蒸汽管線至冷凝器中,被冷卻為液體,然后經(jīng)液體管道回流到蒸發(fā)器內(nèi),完成工質(zhì)的循環(huán)。毛細(xì)芯是環(huán)路熱管的核心部件,一方面它提供了毛細(xì)抽吸壓力來驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán);另一方面,工質(zhì)汽化后產(chǎn)生的蒸汽通過毛細(xì)芯進(jìn)入蒸汽管線,使熱量能夠在環(huán)路熱管中正向傳遞,因此,毛細(xì)芯的發(fā)展對(duì)于環(huán)路熱管性能整體的提升具有關(guān)鍵作用。目前毛細(xì)芯的制備材料呈現(xiàn)多樣化,但其主要工藝仍以燒結(jié)為主。常規(guī)的燒結(jié)毛細(xì)芯具有剛性大,脆性高的特點(diǎn),在用于平板式環(huán)路熱管毛細(xì)芯時(shí)成平板狀,機(jī)械強(qiáng)度不高,容易斷裂,限制了其使用場合,且最小成型尺寸也受到一定的限制。此外,燒結(jié)成型的毛細(xì)芯與蒸發(fā)器的接觸不緊密,由此影響了熱量的有效傳遞,降低了啟動(dòng)和運(yùn)行的效率。以上缺點(diǎn)影響了環(huán)路熱管的整體性能,這些問題在環(huán)路熱管向小型化發(fā)展時(shí)變得更加突出。碳纖維作為一種柔性材料,強(qiáng)度高并且自身具有多孔結(jié)構(gòu),將其作為環(huán)路熱管毛細(xì)芯,與傳統(tǒng)的燒結(jié)毛細(xì)芯相比,其較高的強(qiáng)度和良好的柔性使其能夠更好地與蒸發(fā)器嚴(yán)密接觸,并很好地解決了脆性斷裂的問題,有利于平板式環(huán)路熱管向小型化和微型化發(fā)展。本文對(duì)具有多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的聚丙烯腈基碳纖維薄層用于環(huán)路熱管毛細(xì)芯的特性進(jìn)行了研究。通過對(duì)碳纖維的表面改性,使其呈現(xiàn)良好的毛細(xì)抽吸特性,以達(dá)到作為環(huán)路熱管毛細(xì)芯的要求。碳纖維在經(jīng)表面處理前,其活性比表面積小,表面能低,是一種疏水材料,無法發(fā)揮其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的抽吸特性。為此,分別采用化學(xué)鍍銅方法在碳纖維表面形成均勻銅鍍層以及利用火焰噴涂方法在碳纖維表面形成金屬涂層對(duì)碳纖維表面進(jìn)行改性處理,從而使得碳纖維材料呈現(xiàn)良好的吸水性,同時(shí)采用水溶液析晶的方式對(duì)碳纖維內(nèi)部的孔隙率和孔徑結(jié)構(gòu)進(jìn)調(diào)整,從而可以更加靈活地改變碳纖維毛細(xì)芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,以達(dá)到優(yōu)化環(huán)路熱管工作性能的目的�；瘜W(xué)鍍是基于氧化還原反應(yīng),利用還原劑在金屬離子的溶液中將離子還原成金屬單質(zhì)沉積在材料表面形成鍍層。碳纖維表面鍍銅,作為毛細(xì)芯可獲得比銅絲網(wǎng)更好的工作性能,因碳纖維比銅絲更纖細(xì),所獲得的毛細(xì)芯孔徑更小,孔隙率更大,更柔軟等,制備工藝難度小,減少了制造成本。研究結(jié)果表明,通過化學(xué)鍍進(jìn)行表面處理后可以使碳纖維的浸潤性得到明顯改善,使其內(nèi)部固有的多孔結(jié)構(gòu)發(fā)揮出對(duì)水的較好毛細(xì)抽吸作用,相對(duì)滲透率達(dá)到10-11m2,符合環(huán)路熱管毛細(xì)芯的要求。在對(duì)化學(xué)鍍銅碳纖維毛細(xì)芯環(huán)路熱管的傳熱特性研究的基礎(chǔ)上,提出了制備復(fù)合碳纖維毛細(xì)芯的方法,進(jìn)一步優(yōu)化碳纖維環(huán)路熱管毛細(xì)芯的工作性能�；鹧鎳娡恐饕峭ㄟ^將金屬粉末噴入火焰中,利用高壓高溫火焰將金屬粉末噴涂到碳纖維表面。通過火焰噴涂技術(shù)在碳纖維表面噴涂金屬涂層,可以增加碳纖維表面的粗糙度和表面能,改善碳纖維對(duì)水的浸潤性,使得碳纖維具有了優(yōu)越的抽吸特性,成為一種可應(yīng)用于環(huán)路熱管毛細(xì)芯的新材料。因?yàn)榛鹧鎳娡糠椒ǹ梢栽谔祭w維不同表面施加不同導(dǎo)熱特性的涂層,所以可以制備出導(dǎo)熱系數(shù)分布更為合理的復(fù)合型碳纖維毛細(xì)芯。研究結(jié)果表明,采用火焰噴涂改性方法制備出的復(fù)合型毛細(xì)芯具備了環(huán)路熱管毛細(xì)芯的性能,并且具有更合理的導(dǎo)熱特性分布。為了進(jìn)一步完善碳纖維制備環(huán)路熱管毛細(xì)芯的體系,針對(duì)碳纖維毛細(xì)芯固有的多孔結(jié)構(gòu),提出了一種利用孔內(nèi)析晶反應(yīng)改變其孔隙率和孔徑的新方法。對(duì)析晶反應(yīng)后的碳纖維毛細(xì)芯孔隙率進(jìn)行測試的結(jié)果表明,在碳纖維內(nèi)部進(jìn)行析晶反應(yīng)時(shí),反應(yīng)時(shí)間在控制孔隙率過程中起到重要作用,而溶液濃度影響較小;在對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn),在原有的碳纖維骨架成孔基礎(chǔ)上,形成了晶體析出后構(gòu)成的新孔徑,降低了原有孔徑的尺寸�；谖鼍Х磻�(yīng)對(duì)成型碳纖維孔徑進(jìn)行改進(jìn),可以得到孔徑分布更為優(yōu)異的碳纖維毛細(xì)芯,對(duì)碳纖維毛細(xì)芯制備體系具有重要意義。對(duì)改性碳纖維作為毛細(xì)芯的平板型環(huán)路熱管傳熱性能進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)路熱管能夠穩(wěn)定運(yùn)行,證明了碳纖維作為環(huán)路熱管毛細(xì)芯的可行性。同時(shí)在研究過程中發(fā)現(xiàn)平板型環(huán)路熱管因其尺寸較小,蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽腔和儲(chǔ)液室的漏熱問題成為影響其啟動(dòng)和運(yùn)行特性的重要阻礙因素。為了研究平板型環(huán)路熱管蒸發(fā)器內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程,利用了數(shù)值模擬的方法,并將數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,兩者的研究結(jié)果能夠很好的吻合,說明模擬過程中使用的數(shù)學(xué)模型的正確性。進(jìn)一步的數(shù)值模擬結(jié)果表明,通過在LHP蒸發(fā)腔和儲(chǔ)液腔殼體接觸面間添加隔熱硅膠片和YSZ隔熱層的方法,可以有效地減少漏熱造成的啟動(dòng)失效問題,而且隨后的試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。結(jié)合火焰噴涂技術(shù)制備碳纖維毛細(xì)芯的工藝,通過在碳纖維正反兩側(cè)噴涂不同的金屬或金屬氧化物涂層,使得碳纖維毛細(xì)芯兩側(cè)具備了不同的熱傳導(dǎo)率,從而滿足毛細(xì)芯蒸汽側(cè)和儲(chǔ)液室側(cè)對(duì)熱傳導(dǎo)率的不同要求,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合毛細(xì)芯的功能,達(dá)到了降低平板型環(huán)路熱管漏熱的目的。采用化學(xué)鍍銅改性和火焰噴涂改性碳纖維毛細(xì)芯以及相應(yīng)優(yōu)化措施后,漏熱問題得到了很好的改善,隨后的環(huán)路熱管運(yùn)行結(jié)果表明,LHP傳熱功率可以達(dá)到75W,且在功率變化調(diào)整過程中,溫度反應(yīng)迅速,運(yùn)行溫度穩(wěn)定無波動(dòng)現(xiàn)象。綜上,本文提出并完善了以柔性的碳纖維為基礎(chǔ)材料制備環(huán)路熱管毛細(xì)芯的方法及相應(yīng)的優(yōu)化措施,分析測試了該毛細(xì)芯以及裝配該毛細(xì)芯的LHP系統(tǒng)的性能,為平板型環(huán)路熱管工作性能的進(jìn)一步完善以及小型化提供了可行的技術(shù)路線和理論指導(dǎo)。
【圖文】：

成化、高功耗的芯片所帶來的更高的發(fā)熱量，必然導(dǎo)致芯片工作在更高的溫度條逡逑件下，而運(yùn)行溫度的升高給電子芯片的穩(wěn)定性和可靠性帶來了非常大的問題［２４］。逡逑據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，，如圖１－１所示，電子產(chǎn)品因溫度過高而是失效的原因占比５５％［５］。逡逑灰塵逡逑：、濕度逡逑５５邋Ｊ邐＇逡逑溫度邐Ｉ逡逑：、’：振動(dòng)逡逑圖１－１電子設(shè)備失效原因占比［５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｆａｉｌｕｒｅ邋ｃａｕｓｅｓ邋ｆｏｒ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ＾逡逑電子設(shè)備的穩(wěn)定性受到溫度影響的領(lǐng)域主要包括航空航天熱控制領(lǐng)域Ｗ和逡逑１逡逑

環(huán)路熱管的主要組成部分包括蒸發(fā)器（Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、毛細(xì)芯（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ邋Ｗｉｃｋ）、逡逑冷凝器（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）、儲(chǔ)液室（Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）和蒸汽－液體管線（Ｖａｐｏｒ－ＬｉｑｕｉｄＬｉｎｅ），逡逑其基本原理圖如圖１－２所示。環(huán)路熱管工作過程為：對(duì)蒸發(fā)器施加熱負(fù)荷，熱量逡逑被導(dǎo)入蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯并加熱芯內(nèi)液體使其受熱蒸發(fā)，所產(chǎn)生的氣體進(jìn)入蒸汽逡逑管道并在冷凝器中冷卻為液體，在毛細(xì)抽吸壓力和蒸汽壓力作用下，液體工質(zhì)經(jīng)逡逑液體管道回流到蒸發(fā)器內(nèi)，完成工質(zhì)的循環(huán)。其中，毛細(xì)芯一方面需提供足夠的逡逑毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)循環(huán)工質(zhì)，另一方面，毛細(xì)芯需及時(shí)將產(chǎn)生的蒸汽轉(zhuǎn)移至蒸汽逡逑管道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱量的正向傳遞。逡逑ＪＳｋ逡逑、、、Ｈｅａｔ邋Ｏｕｔ邐，邋Ｖａｐｏｒ邋Ｌｉｎｅ逡逑丨丨邋邐邐＾逡逑）Ｖ邐邐Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ逡逑一逡逑１邐Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ逡逑－子Ｉ逡逑Ｌｉｑｕｉｄ邐Ｌｉｑｕｉｄ邋＼邋Ｗｉｃｋ＼邋ｊ逡逑Ｌｉｎｅ＾
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ051.62;TQ342.742

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本文編號(hào)：2632988