超薄平板回路式热管的热传输性能研究

电子元器件的高频、高速化和集成电路的密集化已成为电子信息技术发展的趋向,如何对设备实现紧凑高效的热管理成为关键问题。平板回路式热管作为被动式高效散热元件,其高传热能力,传输距离长等特点能很好地解决紧凑式高热流密度散热难题,因此,实现平板环路热管的微型化、超薄化成为目前狭小空间内高效热控设计的研究重点。首先,本文对小深宽比微小通道内的流动沸腾特性进行了可视化实验,考查了不同运行工况和结构参数,包括入口质量流量、热流密度、以及深宽比等条件下,受限微小通道流动沸腾过程中的气泡生长、合并、拉长等行为以及流型的衍化情况,并结合汽泡动力学,揭示了小深宽比微小通道流动沸腾过程中的气泡受限特性。另外,分析了受限气泡特性对微小通道流动沸腾换热能力和临界热流密度的影响,阐明了小深宽比微小通道内流动沸腾传热的机理及其换热特性。实验表明,受限的拉长气泡流是小深宽比微小通道内的主要流型,在这一流型下,微小通道热沉的换热能力受干度的影响小,可基本维持稳定。这一特点为采用该类超浅微小通道进行散热提供了较好的应用价值。其次,结合小深宽比微小通道内流动沸腾的可视化实验结果,建立了关联深宽比的微小通道内两相流压降预测模型。同时,考虑小深宽微小通道在不同流型下的主导换热机制不同,分别针对受限拉长气泡流和环状流建立了等效对流换热系数的有效预测模型。另外,基于小深宽比微小通道内薄液膜区迅速汽化而临界热流密度早临的特性,建立了可有效预测小深宽比微小通道内CHF的半经验关联式。为系统探究超薄平板回路式热管的热输送性能,设计并实验对比了三种具有不同槽道排布结构的超薄平板回路式热管的工作特性,包括其启动特性、运行温度、热阻以及系统不稳定性等。实验证明,蒸发器内部槽道排布结构的调整可大幅提高超薄热管的热传输性能。平行四边形排布结构下,超薄平板环路式热管的运行温度下降了11℃,启动过程顺利且无温度振荡;最低热阻仅有0.08 K/W,相较于矩形排布时降低了近50%。最后,本文还建立了针对超薄平板回路式热管热传输性能的数学模型,刻画了汽液塞在热管内部的运动循环过程,反映了放置角度和汽液线长度对热管热传输性能的影响。另外,为进一步反映工质沿蒸发器内各通道内的流动传热过程,构建了基于流阻网络模型的深化模型,并有效预测了不同蒸发器排布结构对超薄平板回路式热管传热性能的改善,得到了排布结构的优化设计方案。本文围绕超薄平板回路式热管的开发,从小深宽比微小通道流动沸腾的基础科学问题和超薄平板回路式热管的系统热传输性能两方面分别展开实验和理论研究,旨在明晰超薄平板回路式热管的工作特性并提出相关的设计方法,为热管的超薄化开发提供合理有效的研究思路。