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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

重力场中沟槽管和烧结管传热性能的实验研究

为了研究重力场中不同吸液芯微热管的传热性能,选用了沟槽式和烧结式两种吸液芯的热管为研究对象,实验测量了两者在不同重力倾角时的温差、热阻和极限功率。实验结果表明:重力倾角小于15°时,沟槽管和烧结管的传热性能受重力的影响很小,重力倾角大于15°时,沟槽管的温差和热阻上升较大,极限功率下降幅度达78%,而烧结管的温差和热阻上升很小,极限功率下降幅度为31%;重力倾角为-30°时,烧结管温差、热阻和极限功率均略有上升,沟槽管则温差、热阻上升,极限功率下降;在对不同工质的研究中,发现水比乙醇和丙酮在有重力影响下更适合作为热管工质。     

非均匀槽道平板热管的传热性能实验

设计加工了2种具有非均匀槽道结构的平板热管并进行实验,分析了充液率和加热功率对平板热管传热性能的影响。结果表明,当平板热管的充液率越高时,其启动所需的时间越长。在同样的加热功率和充液率下,鱼骨形槽道平板热管启动性能更优;充液率一定时(如60%),在较低功率范围内(60~170 W)鱼骨形槽道平板热管传热性能更好,最小总热阻为0.14℃/W;而交叉槽道平板热管在实验功率范围内(60~350 W)热阻持续降低,其最小总热阻为0.10℃/W。     

平行轴旋转热管传热性能的实验

对一种平行轴旋转热管的传热性能进行了实验研究。热管的冷却段采用无接触热阻的整体针翅制作。实验的充液率范围为10%~25%,热流密度为7×103~5.3×104W/m2、冷却风由热管自身旋转形成,其雷诺数范围为2.3×103~1.2×104。实验结果表明充液量为20%时热管的传热性能最好,其传热能力随转速的增加逐渐增强,加热功率的变化对热管的传热性能影响不大。实验发现,吸液芯对于该型热管的传热性能作用不大。在相同条件下,该平行轴旋转热管的传热性能可达到同心轴旋转热管的1.5倍。     

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.     

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.     

双面三角形和矩形通道平板脉动热管的传热性能

研究充液率、倾角、工质、加热功率、启动温度对双面三角形和双面矩形2种通道的平板脉动热管传热性能的影响。研究结果表明:双面矩形平板脉动热管和双面三角形平板脉动热管都具有工作稳定与良好的传热性能,但三角形截面热管的传热性能比矩形截面热管的传热性能优。     

多脉动冷端热管散热器的散热性能

为了强化单片板式脉动热管的传热,满足高功率电子芯片散热的需要,提出一种具有多脉动冷端结构的热管散热器,并对其散热与启动性能进行实验研究。分析充液率、加热功率对多脉动冷端热管散热器传热性能及启动性能的影响,并与单片平板脉动热管进行对比。研究结果表明:多脉动冷端热管散热器的最佳充液率为25%;多脉动冷端散热器冷端启动呈先中间后两侧的顺序;启动时间受充液率影响较小,但随加热功率增加而变短且启动稳定性更好;启动温度则随充液率的增加而变大;在相同工况下,多脉动冷端散热器传热及启动性能明显比单片平板脉动热管的优。     

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.     

新型微型平板热管的传热性能

对一种新型微型平板热管的传热性能进行了试验研究,分析了热管的充液率、倾角等对其传热性能的影响．研究结果表明,充液率直接影响热管的传热性能,热管的最佳充液率为30％左右,且重力对热管的性能的提高有辅助作用．     

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.     

热管的热力学分析

文本运用物理的基本理论对热管进行热力学分析,并导出公式来说明热管的传热特性,指出了热管不仅可以作为良好的传热器件,并进一步提出了热管可以作为动力装置的理论根据. 一、热管的基本原理及其热力学分析图1为热管的工作原理示意图,它由管壳、紧贴管壳内壁的吸液芯组成,管内封以