汽液通道结构对超薄热管性能的影响分析

随着微电子技术和大数据产业的飞速发展,电子元器件的高性能化、微型化、高集成化已成为当下电子设备发展的主流趋势．电子芯片的高功率及小尺寸导致热流密度大幅增加,散热问题越发严峻．超薄热管是解决当前电子设备在狭小空间内高热流密度散热问题的理想方案,蒸汽通道与液体通道(吸液芯)的匹配对提升超薄热管传热性能有重要影响．根据复合丝网型超薄热管的几何结构建立三维对称数值模型,基于前期团队工作的实验结果验证了模型的准确性,对不同吸液芯高度的热管进行了数值模拟,重点分析了稳态工况下汽液通道比对超薄热管内汽液流动特性以及传热性能的影响．结果表明：在吸液芯高度一定时,汽液通道比越大,蒸汽最大速度以及压降均减小,且当汽液通道比在低于80%时变化更剧烈．此外,随着汽液通道比的增大,热管整体温度和热阻均呈现出先减小再增大的趋势．因此在不同的吸液芯高度下,均对应着一个最佳通道比使得热阻最小．当吸液芯高度分别为0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm时,最佳通道比分别为135%、93%、71%和63%,热阻分别为0.68 K/W、0.47 K/W、0.36 K/W以及0.30 K/W,热阻相比于最大热阻...     

烧结式微热管吸液芯的成型方法

目前电子芯片对散热的要求越来越高,烧结式吸液芯微热管已经成为电子芯片理想的散热元件.文中分析了铜粉颗粒在吸液芯中的成型机理,探讨了烧结式微热管吸液芯毛细结构的制造工艺,解决了吸液芯成型温度与成型时间的确定,以及烧结时芯棒的固定、抽出与铜粉颗粒的填充等相关问题.结果表明,采用所提出的制造工艺在900～950℃下烧结30～60min得到的吸液芯具有铜粉颗粒分布均匀、对称性好、生产效率高、成本低等优点,并且制成的微热管具有很好的传热性能.     

烧结式微热管的吸液芯成型机理及其制造工艺

目前电子芯片对散热要求的越来越高,烧结式微热管已经成为其理想的散热元件。本文分析了铜粉颗粒在吸液芯中的成型机理,探讨了烧结式微热管吸液芯毛细结构的制造工艺,主要解决了吸液芯成型温度与成型时间的确定,以及烧结时芯棒的固定、抽出与铜粉颗粒的填充等相关问题。结果表明,采用本研究中的制造工艺和在900℃～950℃、30min～60min所烧结出来的吸液芯具有铜粉颗粒分布均匀、对称性好,生产效率高,成本低等优点,并且制成的微热管具有很好的传热性能。     

组合式吸液芯高温热管热阻和瞬时传热性能分析

根据碟式太阳能热管接收器的工作情况,开发设计了加工简便、成本较低的组合式吸液芯高温热管.对该热管建立了热阻模型,通过试验验证热阻模型的可靠性,并从温度、热阻和当量导热系数3方面与三角沟槽/金属丝网吸液芯热管进行比较,分析了热管瞬时传热性能.在相同的冷却工况下,与三角沟槽/金属丝网吸液芯热管相比,组合式吸液芯热阻稳定且较小,当量导热系数较大.因此,组合式吸液芯高温热管较三角沟槽/金属丝网吸液芯热管传热性能优良,可较好地应用于碟式太阳能接收器.     

高性能水热管的试验研究及其工程应用

本文在水热管试验研究的基础上,提出低热阻、高传热率的最佳吸液芯结构,论述热管蒸发区内的传热机理。对于金属流体和低热流密度下的非金属流体,蒸发区内的传热主要靠通过吸液芯-液体组合体的导热;对于高热流密度下的非金属流体,蒸发区内可能出现核沸腾,这时妥善设计吸液芯,可以延缓因核沸腾而过早地出现干涸的现象。试验表明,1.5米长的重力辅助水热管,倾角3°下最大传热率竟比水平时增加6倍。最后,介绍水热管在晶闸管散热和余热回收中的工程应用。     

复合吸液芯微细直径热管的传热性能分析

对3种复合吸液芯微细直径热管(外径2 mm)进行了理论分析和实验研究,3种吸液芯分别为铜粉丝网复合吸液芯(SMCP)、泡沫铜丝网复合吸液芯(SMCF)和复合丝网吸液芯(MSM);结合毛细极限理论分析了这3种热管的极限传热功率,并分析其在不同充液率下的极限传热功率、轴向温度分布和蒸发冷凝热阻特性.结果表明:SMCP、SMCF和MSM热管的最佳充液率分别为110%、95%和90%,此时其极限传热功率均为7 W,与理论计算值接近;3种热管的轴向温差随着加热功率的增大而增大,其轴向温差最大值分别为4.22、4.20和4.90℃;随着加热功率的增大,蒸发热阻逐渐增大;充液率较低时,冷凝热阻变化幅度不大,充液率较高时,SMCP热管的冷凝热阻出现较大幅度波动,而SMCF和MSM热管的冷凝热阻相对稳定;当3种热管的充液率为各自最佳充液率且加热功率为7 W时,其蒸发热阻分别为0.437、0.493和0.591℃/W,冷凝热阻分别为0.167、0.106和0.110℃/W.     

烧结长度对复合型吸液芯热管传热性能的影响

通过采用直径分别为5.5mm及6mm的芯棒制作外径是8mm、烧结层长度分别占总长度的1/3、2/3及1的复合型吸液芯热管(分别命名为GO、GT和GF),对其极限传递功率(MHTP)、蒸发端、冷凝端及总热阻进行比较。研究烧结长度对复合型吸液芯热管传热性能的影响。工质的填充状态有两种:①吸液芯孔隙填满工质;②填充相同工质量。结果发现:两种工质灌注状态对热阻的影响较小,对MHTP的影响较大。芯棒直径5.5mm时,状态①中,GO、GT、GF的MHTP都达100W以上;状态②中,GF则只达到80 W。芯棒直径6mm时,状态①中,GO、GT、GF的MHTP分别为100 W以上、80 W、60W;状态②中,GO、GT、GF的MHTP则分别为80W、100W以上、80W。减少吸液芯烧结层的长度可有效降低热管总热阻,吸液芯厚度相同时,GT或GO总热阻相对GF至少可减少33%。输入功率60~100 W时,同根热管总热阻大小变化0.01℃/W。吸液芯厚度增加0.25mm时,相同烧结长度的热管总热阻大小相差0.01℃/W。两种工质灌注状态都表明烧结层长度对复合热管蒸发段热阻影响较小,主要对冷凝端及总热阻有影响,其中热管冷凝端热阻的变化趋势与总热阻相同。     

汽车照明用LED散热的特性研究

LED作为第四代照明光源应用于汽车照明已经是一种必然的趋势。针对汽车照明用LED散热问题,提出了一种以铜粉烧结块为吸液芯的铜-水复合冷凝段重力式热管(HP)散热系统,并且实验研究了冷凝侧对流换热系数、LED粘结材料导热系数以及热管充液率对芯片结温的影响。结果表明:1)对流换热系数与芯片结温呈负相关,并且在对流换热系数增加到50~70 W/m~2K之间时,芯片结温下降趋于平稳;2)LED粘结材料的导热系数越大(≥100 W/m·K),越有利于降低芯片结温;3)加热功率偏小(≤3 W)时,充液率为50%时最利于降低芯片结温,加热功率偏大(≥5 W)时,充液率为60%最为合适。     

烧结粉末吸液芯——水热管性能及蒸发传热的试验研究

本文对烧结青铜粉末吸液芯—水热管的传热性能进行了试验研究。试验表明,这种吸液芯结构的蒸发热阻比常用的其他吸液芯结构的蒸发热阻要小得多。对热管蒸发区的传热机理进行了初步分析。     

HCPV用平板式环路热管实验研究

设计了一种用于高倍聚光光伏太阳能电池(HCPV)散热的混合烧结芯平板式环路热管,并实验研究了负荷、倾角、冷凝器参数等对热管启动和运行性能的影响.实验表明,该热管基本可满足HCPV负荷及安装角度要求,热面温度100℃内的最大负荷可达320 W(热流密度为40 W/cm2).蒸发器和储液器、蒸发器和冷凝器相对位置对热管性能影响很大.当储液器在蒸发器下方时启动更容易;冷凝器在蒸发器上方时低负荷启动温度下降.可通过减少冷凝器内冷却水流量,提升热管反重力运行的启动能力.     

不同结构吸液芯的超薄平板热管传热性能研究

吸液芯结构对超薄平板热管的传热性能有很大影响.为对比不同结构吸液芯的超薄平板热管传热性能,研制了4种吸液芯的超薄平板热管并进行传热性能实验.结果发现:120～200目烧结芯超薄平板热管的热阻最低,在稳定工作时蒸发端温度最低,启动时间最短;在相近孔隙率下,烧结芯热管比丝网芯热管的传热性能好,粉末烧结结构比网状结构更利于改善毛细力和强化沸腾.     

基于快速热响应相变材料的电子器件散热技术

以石蜡为相变材料,利用膨胀石墨的高导热系数和多孔吸附特性,制备出高导热系数的快速热响应复合相变材料,其导热系数可达4.676 W/(m.K).将该材料应用于电子器件散热装置,在不同的发热功率条件下,储热材料散热实验系统的表观传热系数是传统散热系统的1.36～2.98倍,其散热效果明显优于传统散热系统,可有效提高电子元器件抗高负荷热冲击的能力,保证电子电器设备运行的可靠性和稳定性.     

一种平板热管散热器传热特性的实验研究

对一种以微槽道作为吸液芯的平板式热管散热器的传热特性进行了实验研究。分析了加热功率、冷却强度、工作倾角等因素对该平板热管散热器传热性能的影响规律。实验结果表明热管内部热阻所占热管散热器总热阻的比重很小。热管冷凝端的高效散热是热管散热器正常稳定工作的关键。该平板热管散热器的散热能力强;并具有良好的均温特性,在散热冷却领域具有良好的应用潜力。     

铜粉粒径对烧结式热管传热性能的影响

为了进一步优化烧结式吸液芯的结构,提高热管的热传导性能与效率,研究了外径分别为5、6、8mm和吸液芯厚度为0.5～0.6 mm的热管的传热特性,结果发现:铜粉粒径分布比较集中时,如果其平均粒径增大,吸液芯的孔隙率和热管的极限传输功率(MHTP)均会增大,热管的冷凝端温差及总热阻则略微减小;不同粒径范围的铜粉混合时,热管的冷凝端温差及总热阻在不同外径的热管内的变化规律不同;含70%小粒径铜粉的烧结式热管的MHTP最小,且粒径越小MHTP越低;含70%大粒径铜粉的烧结式热管的MHTP仅次于全部为大粒径铜粉的烧结式热管的MHTP;铜粉粒径的范围越小,热管的性能越优,平均粒径为(165±15)μm的铜粉适合于制作薄壁烧结式热管.     

热流密度对槽道热管传热性能影响的试验研究

对外径为15mm,长为150mm梯形轴向槽道热管的轴向温度分布、蒸发/凝结传热系数以及当量导热系数等传热特性进行了试验研究。试验所用热管的型材为铝合金,工质为氨。试验的结果表明,在冷源温度为40℃时,热管当量导热系数大概为3500～7500W/m.℃,蒸发传热系数大概为3700～5300W/m2.℃,凝结传热系数大概为2000～5000W/m2.℃,热流密度在1.2W/cm2以下时热管的工作性能良好,而在高热流密度下热管的传热性能恶化。     

新型液线毛细芯环路热管启动及传热性能

为了解决传统环路热管(loop heat pipe,LHP)低负荷下启动难,运行不稳定的问题,设计了一种无储液室,且带有液线毛细芯的新型环路热管,对比分析了其与传统结构环路热管的启动及传热性能,还测试分析了该新型环路热管在变工况和重力辅助条件下的运行性能.结果表明:环境温度25℃,热沉温度20℃时,新型液线毛细芯环路热管可以在10～130 W成功启动,运行温度最高为91.3℃,热阻0.33 K/W,有良好的变工况及重力辅助运行性能.与传统环路热管相比,新型液线毛细芯环路热管在低负荷启动时热阻较小且有效消除了温度振荡现象,高负荷启动时热阻较大但启动时间大幅减少.     

超薄交替变径通道平板脉动热管的传热特性

采用印刷电路工艺,设计制作了厚度为1.00 mm的铜基平板脉动热管.宽度分别为1.00和2.20 mm的通道在平板脉动热管内交替排布,宽通道底部为刻蚀有平行微槽的阵列结构.以HFE-7100为工质,在充液率为30%～50%条件下,对有、无微槽结构的交替变径通道平板脉动热管的启动和传热性能开展比较研究.研究结果表明：平板脉动热管在水平和竖直放置时均可以正常启动,且实现稳定运行,引入微槽结构可以显著改善脉动热管的启动和传热性能,降低蒸发段温度,并增强其抗重力性能;在加热功率为24 W、充液率为30%条件下,超薄脉动热管分别呈水平和竖直放置时,其等效导热系数可分别达到1 241和1 226 W/(m·℃),比无微槽脉动热管分别提高25.6%和18.7%,能够较好满足部分芯片器件散热冷却的需要.     

纤维复合沟槽吸液芯微热管的传热性能实验

为了进一步提高微热管的传热性能,提出了一种新型的纤维复合沟槽毛细吸液芯结构,对外径为8 mm、内部气体通道直径为4.5 mm的纤维复合沟槽的烧结式微热管(GF)进行了实验研究,其中填充纤维的长度分别为2和5mm(对应的微热管分别记作GF2和GF5),并将GF与铜粉复合沟槽微热管(GA)进行对比.结果发现GF的传热性能更好:GF2和GF5吸液芯的平均孔隙率分别可达71.6％和76.3％,并能实现孔隙率的区域化分布;GF2的极限传热功率高达140W以上,输入功率为20 ～ 70W时,蒸发段、冷凝段热阻和总热阻都较低,分别稳定在0.04、0.03和0.07℃/W附近,具有很高的热传导率;输入功率为70W以上时,冷凝段及总热阻都有明显上升趋势,但总热阻仍比GA的低;热管蒸发段温度与蒸发段热阻关系较密切,而总热阻的变化趋势则与冷凝段的基本相同.     

碳纤维骨架石墨烯导电导热薄膜的制备及表征

在对碳纤维进行除浆和预氧化的基础上,将其与中间相沥青甲苯溶液混合,通过抽滤法制备碳纤维薄膜骨架,二次抽滤氧化石墨烯填充到碳骨架之间,经热处理后制得具有三维网络结构的自支撑G-CF-MP复合薄膜.探索和分析了不同碳化和石墨化温度对薄膜材料形貌、导电性以及导热性能的影响.通过结构表征发现,碳纤维之间相互搭建构成高机械性能的碳骨架,碳纤维表面以及纤维之间的空隙被石墨烯均匀地包覆和填充,中间相沥青在达到软化点后呈现出流动性和黏性,充分润湿碳纤维与石墨烯之间的间隙,3种碳材料协同作用,从而获得了高机械强度以及高导电性的G-CF-MP复合薄膜材料.导电性测试发现,石墨化处理可以有效提高材料的导电性,G-CF-MP复合薄膜在经过900℃碳化后的方阻为2.853Ω/sq,经过石墨化处理后的方阻降低为0.229Ω/sq.经过导热性能测试,G-CF-MP(900℃)的热导率为475.2 W/(m·K),G-CF-MP(2 300℃)的热导率为532.8 W/(m·K).     

太阳能接收器用高温热管的关键参数

结合太阳能接收器的工作条件,对用于组合式接收器的高温热管进行分析,探讨其应具有的关键参数.主要包括热管工质、管壳材料的选择以及吸液芯结构的确定等.通过分析工质的工作温度区、对热管传热极限的影响以及传输因数等因素,选取碱金属Na作为高温热管工质;通过比较各材料的力学性能、耐腐蚀性能以及抗氧化性能等参数,选取Haynes 230合金作为高温热管管壳材料;以孔隙率、渗透率和有效毛细半径为对象,基于吸液芯内的压力分析,选取WB 8/300型金属毡作为吸液芯结构的原材料.