矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

部分压扁槽道热管实验研究

针对11种不同压扁形式的小型轴向槽道热管进行实验研究, 分析了压扁形式、压扁厚度和工作温度对轴向温度分布、热阻、极限传输功率以及蒸发段和冷凝段的相变换热系数的影响. 实验研究表明, 各种形式的槽道热管在正常工况下, 均可以保持良好的等温性. 热管的几何结构对极限传输功率的影响较明显. 对于蒸发段2 mm厚的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加81%; 而对于蒸发段厚度为3 mm的热管, 冷凝段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加134%. 对于冷凝段4 mm厚的热管, 蒸发段厚度从2 mm增加到3 mm, 极限传输功率增加26%. 蒸发段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加9%~26%, 而冷凝段厚度每增加1 mm, 极限传输功率增加20%~86%. 冷凝段厚度对热管传热性能的影响要比蒸发段厚度大. 本文的研究内容对了解槽道热管传热性能及电子热设计过程将会有所帮助.     

不同蒸发器结构的超薄平板环路热管的传热性能的差异化

开发设计了两款无毛细结构的超薄型(1.5 mm厚)铜-水平板环路热管,并对其多方位下热传输性能进行实验研究.对比分析了两种蒸发器结构的热管在不同角度下的启动能力和运行特性,且探究了蒸发器结构对于超薄环路热管运行稳定性的影响,以及热管性能在多方位条件下的差异.实验表明两种结构热管均能满足多方位工作的要求,具有抗重力特性,其中平行四边形的结构设计有助于抑制流动不稳定,抗重力性能更优,不仅能够在15°时启动,而且不同角度下热传输性能的差异仅为4%.     

梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

多蒸发器低温回路热管的启动特性

空间探测技术迅速发展,传统的点对点传热方式不再满足多阵列、大面阵结构探测器的散热需求.本研究通过将3个蒸发器以气耦合的方式并联,设计加工了一种用于多点热源散热的多蒸发器低温回路热管(multi-evaporator loop heat pipe, MeLHP),并进行了样机的启动特性实验研究.实验分别通过与单蒸发器回路热管的比较、不同加热方式的比较以及不同充液率的比较,多方面地探究了MeLHP在降温、启动过程中的特性.实验发现,在保证样机在170 K稳定运行的前提下, MeLHP各个支路均与单蒸发器回路热管的启动特性保持高一致性; MeLHP在单蒸发器加热和多蒸发器共同加热的条件下均能启动,单蒸发器加热过程中未加负载的蒸发器在气耦合作用下分享热量保持各蒸发器温度一致,保证三蒸发器的同时启动;工质的初始分配状态会造成降温过程中各蒸发器温度的差异,气耦合的热交换作用调节了各回路温度的一致性,有效抑制了初始状态对温度的影响;考虑了不同充液率的影响,考察了充液率分别为0.6和0.7条件下的启动特性,发现0.7充液率下MeLHP的启动特性能更好地与0.6充液率条件下的单蒸发器回路热管相一致.实验验证了气耦合并联形式下设计的多蒸发器回路热管的启动可行性以及降温规律,对MeLHP的推广应用有重要意义.     

基于热管技术的动力电池热管理系统研究现状及展望

电池热管理是发展高性能动力电池系统的关键技术之一,也是工程热物理领域研究前沿和热点.本文介绍锂离子动力电池热特性,阐述热管理对动力电池的重要性.介绍动力电池热管理主要技术手段,重点介绍热管技术应用于电池热管理的研究现状,从电池运行工况对系统传热的影响研究、热管传热特性分析与设计、热管理系统散热结构设计与传热分析及采用热管的电池加热研究4个方面阐述当前基于热管技术的电池热管理研究现状.最后,总结当前研究存在的不足及需要突破的关键问题,以期促进先进动力电池热管理系统开发.     

毛细芯热管的相变驱动机制与模型

现有的热管理论一般认为, 毛细抽力是毛细芯热管运行的唯一驱动机制. 通过建立毛细芯热管内液体和蒸汽流动的热-电模拟回路, 提出了毛细芯热管运行的相变驱动机制, 而且, 通过分析毛细芯热管蒸发界面和冷凝界面之间工质的传输过程, 建立了描述这一驱动机制的数学模型. 以水作为工质, 给出了毛细芯热管的驱动压头和流动阻力的一组算例. 计算发现, 尽管热管的相变驱动压头小于毛细驱动压头, 但前者是一个不容忽略的运行机制. 应用本方法, 可以对毛细芯热管的运行机制和传热极限作出合理解释, 并对毛细芯热管, 特别是微小型毛细芯热管作出较为准确的设计和计算.     

热管冷板启动性能和均温性能的试验研究

一、引言 随着电子器件的高频高速化以及集成电路的小型化和集成度的不断提高,单位体积电子器件的耗散发热量迅速增大,使得为保证其安全性和工作可靠性的热控制技术不光要具有优良的传热能力而且还必须能适应越来越苛刻的工作环境.近年来,对新型冷却剂特性、接触热阻的理论研究和新型冷却方式的基础性研究[1,2],促进了一批新颖、有效的热控制技术在电子设备散热冷却中的应用,主要包括浸渍冷却、冷板冷却、相变冷却、温差致冷和热管冷却等[3-5].     

不同溅射条件对超薄外延氮化铌薄膜超导性能的影响

氮化铌(NbN)由于其较高的超导转变温度、较窄的转变宽度以及良好的稳定性一直被广泛地应用于低温超导器件中.因此,生长高质量的超导Nb N薄膜是制备高性能薄膜超导器件的关键及难点.本文主要介绍了利用磁控溅射法在氧化镁(MgO)100基底上生长厚度为5 nm的超薄超导外延NbN薄膜,并系统分析了溅射参数对薄膜性能的影响.实验结果表明,在合适的氮氩比或功率下,高真空、高溅射温度、低工作气压与NbN薄膜超导转变温度成正相关.采用综合物性测量系统(physical property measurement system, PPMS)进行电学分析,所制备的NbN薄膜超导最高转变温度为12.5 K.该工作为进一步研究超薄NbN薄膜的生长提供了理论指导,也为后期在其他基底上制备NbN超导器件提供了基础.     

航空发动机整流罩新型防冰方法

在一定的飞行条件和气象条件下,航空发动机的进气部件会出现结冰现象,导致发动机性能恶化甚至危及安全.目前,防止发动机结冰的方法主要包括压气机热气防冰和电加热防冰,不可避免地要消耗用于做功的高压空气或高品位电能.本文开展利用发动机废热防止整流罩结冰的高效低能耗的新型防冰方法研究.提出了一种旋转整流罩热管防冰系统结构,建立了描述旋转整流罩热管防冰系统流动与传热现象的数学模型与设计方法,研制了典型旋转整流罩热管防冰系统原理样机;系统地开展了旋转整流罩热管防冰系统性能的数值模拟和冰风洞条件下样机防冰性能的实验验证,分析研究了发动机转速和传热量等因素对发动机整流罩热管防冰系统性能的影响.结果表明,本文建立的旋转整流罩热管防冰性能模型可以较好地预测防冰系统的性能,建立的防冰样机满足设计气象条件下的防冰要求,证明了旋转整流罩热管防冰技术的可行性.     

碳纳米管液相分离方法及其在电子器件领域的应用

独特的结构赋予了单壁碳纳米管(SWNTs)优异的电学特性,使其在纳电子器件和柔性器件领域具有广阔的应用前景.现有的合成方法尚无法实现单一导电特性的SWNTs的宏量制备,制约了其在电子器件领域的应用.为了获得单一导电性质的SWNTs,发展了多种分离方法,其中液相分离方法具有宏量分离的能力和实用化的潜力,主要包括电泳法、密度梯度离心法、管壁修饰法、凝胶色谱法和萃取法等.本文从SWNTs的结构出发,阐述各种液相分离方法的原理及适用范围,介绍高纯半导体性碳纳米管在电子器件领域的应用,并对液相分离SWNTs的发展前景及挑战进行了展望.     

垂直相分离冷凝管内气泡泄漏机理

提出相分离冷凝管在管内悬空布置微米级金属丝网,形成"气贴近管壁,液在中心"的流动结构,在管壁形成超薄液膜,显著提高管内冷凝换热系数.然而,相分离冷凝管内气泡向丝网中的泄漏,可能影响冷凝传热强化.为避免气泡泄漏,本文基于杨-拉普拉斯方程,通过考虑惯性力、黏性力及冷凝管内特有的脉动流等因素,提出相分离管内气泡泄漏的理论判别式,发现气泡泄漏主要取决于无量纲参数G*与We数;利用VOF方法发展了相分离结构中两相层流流动的数值模型.对气泡泄漏现象进行数值分析,结果表明,气泡泄漏出现在气泡顶端,与实验吻合良好;通过对比不同G*与We数下气泡运动规律,获得了气泡泄漏临界曲线,确定了气泡泄漏理论判别式中的待定参数,最终给出垂直相分离管内气泡泄漏临界判别表达式,为相分离冷凝管的设计及运行提供了理论依据.     

对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形是明显不同的.(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率降低了5.98%,从而使得其整体绝热性能得到提高.对流与辐射复合传热边界条件时,绝热层厚度线性增大的布置方式与等厚度绝热层和厚度线性减小的布置方式相比,绝热层(火积)耗散率分别降低了16.59%和39.72%,从而使得绝热层整体绝热性能大大提高.存在最佳常系数a2,opt使得绝热层无量纲(火积)耗散率取得最小值.绝热层最小无量纲(火积)耗散率和最大温度梯度最小值对应的最佳常系数a2,opt相差不大,这使得(火积)耗散率最小的绝热层最优构形对应的热应力也较小,从而在提高绝热层整体绝热性能的同时也有助于提高其热安全性.本文所得结果能从传热优化角度为绝热层的优化设计提供参考.     

不同肋片结构的印刷电路板换热器传热与阻力特性

随着电子系统日益发展,高热流密度电子器件的冷却问题备受关注,微细通道液冷是一种广泛使用的高效冷却方式.印刷电路板换热器具有传热系数高、紧凑、高效等特点,有望成为微细通道热沉的备选方案.为此,本文对几种不同肋结构印刷电路板换热器的散热性能进行了评估,结果表明,非连续肋结构性能显著优于连续平直肋结构;改进翼型肋综合传热性能最佳,其次依次是翼型肋、椭圆肋、圆形肋和连续平直肋,改进翼型肋在高雷诺数条件下优势更加显著;相对于平直肋,改进翼型肋印刷电路板换热器Nu数提高了20.2%,阻力上升了5.6%.     

超薄SiO_x钝化层所导致的半导体-绝缘体-半导体异质结高频隧道电容溢出现象

从高频电容电压特性测试中发现的隧道电容溢出现象出发,研究了具有超薄钝化层的半导体-绝缘体-半导体(semiconductor-insulator-semiconductor SIS)异质结器件界面处独特的电荷存储特性.从SIS 1 MHz频率下的CV特性可知,当外加偏压小于V_T(voltage tunneling)时,SIS界面处于耗尽状态,而当外加栅压超过V_T之后,SIS的高频电容将远超仪器量程趋于无穷大,可概括称为隧道电容溢出现象.从SIS的XPS(X-ray photoemission spectroscopy)深度剖析结果可知,具有不同厚度的ITO(indium tin oxide)的SIS器件界面钝化层所含元素组分并无差别.但从TEM(transparent electron microscope)的结果来看,钝化层厚度随ITO的增加而增加,分析表明不同ITO厚度的SIS所对应V_T值不同的主要原因是由于钝化层厚度的不同.通过对实验结果的分析,本文给出了隧道电容溢出现象的载流子输运的能带模型.结果表明,隧道电容溢出是由于超薄钝化层无法使大量电子在界面处积累所致.且同一器件隧道电容溢出现象是可重复的,不会对器件带来物理损伤,这是采用直接磁控溅射工艺制备SIS异质结太阳电池稳定性的体现.     

微/纳尺度高功率电子器件产热与传热特性

传统的宏观传热理论难以准确表征几何结构尺度小于或接近声子平均自由程的高功率电子器件的产热与传热过程,此时器件中能量激发的时间尺度与声子的特征时间尺度相当,甚至小于声子的特征时间尺度,不能满足传统传热理论的假设.本文针对微/纳尺度场效应晶体管的工作过程,建立描述其内部产热及传热特性的多尺度格子-Boltzmann介观模型,通过在模型中引入源项去描述器件内部电子和声子的相互作用,分析计算不同工作状态下晶体管单元的温度分布特征,研究热管理方式对晶体管温度分布的影响,从微/纳尺度揭示了场效应晶体管的产热机理及传热特性,为热设计工作者提供一定的理论依据.     

歧管式微通道热沉中过冷流动沸腾的数值模拟

歧管式微通道(manifold microchannel, MMC)热沉散热技术是新兴的微尺度电子冷却技术,具有较高的散热潜力和应用前景.本文使用基于开源软件OpenFOAM编写的自编程求解器,对MMC热沉内过冷流动沸腾的过程进行数值模拟研究.与实验数据进行比对验证之后,对微通道热沉的通道宽度和翅片宽度变化带来的影响进行了初步探讨.结果表明,当通道和翅片的宽度相同时,尺寸越小,热沉加热面的平均温度越低,换热性能越好;但是当宽度过小时(小于15μm),热沉进出口总压降将随着宽度变小而大幅增加.当MMC热沉的通道总数保持不变时,增大微通道宽度,翅片宽度减小,加热面平均温度逐渐上升,进出口压降减小.与经过实验测试的热沉样品A相比,热沉C在牺牲少量换热性能的前提下,可以大幅度降低热沉进出口的压力损失.     

形状退磁因子对层状磁电复合材料的影响

传统层状磁电复合材料理论模型认为层状磁电复合材料的磁电性能只与压电和压磁原材料以及层厚比有关, 而与其面内尺寸(长度和宽度)无关. 研究了面内尺寸对层状磁电复合材料的磁电性能的影响. 结果表明, 层状磁电复合材料的磁电性能强烈依赖于其面内尺寸, 根本原因是由于尺寸的变化导致了形状退磁因子的变化, 从而引起磁电性能的变化. 从理论和实验上证明了随着面内尺寸的变化, 磁电性能将明显变化. 随着面内尺寸的增加, 层状磁电复合材料的磁电性能将逐渐增加. 这可为磁电器件的合理设计提供依据并推动磁电器件的发展.     

单壁碳纳米管的荧光恢复研究

单壁碳纳米管因其独特的结构及优良的光学、电学、力学和磁学性能,在纳电子器件、储能、场发射与平板显示和结构增强等众多领域具有广阔的应用前景.单壁碳纳米管可在近红外波长范围内发射接近连续的光致发光和电致发光,有望成为未来纳光电器件和光器件的基础材料,     

氮化物半导体电子器件新进展

氮化物宽禁带半导体是实现大功率、高频率、高电压、高温和耐辐射电子器件的一类理想材料.基于氮化镓(GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)是氮化物电子器件的主流结构,该结构利用高电导率二维电子气实现强大的电流驱动,同时保持了氮化物材料的高耐压能力.近年来,GaN HEMT器件主要在微波功率和电力电子2个领域得到了快速发展.本文评述了GaN微波毫米波功率器件和高效电力电子器件的若干研究进展,并提出了氮化物电子器件仍存在的问题及解决方向.