R114在泡沫金属材料内流动传热特性的实验研究

摘要

伴随着电子技术领域的飞速发展，电子功率器件趋于向小型化、高功率密度方向发展，传统的风冷、水冷等冷却方式已逐渐无法满足其与日俱增的散热需求，热管理问题成为限制电子设备小型化、集成化发展的瓶颈之一，国内外学者都在不断探寻新型的散热冷却方案。泡沫金属是一种经过特殊工艺制备的新型功能材料，其兼具金属特性与某些非金属的特殊物理性能，具有低密度、高孔隙率、高比表面积、高比导热系数等优点。其中，开孔泡沫金属因其孔隙之间连通性好，通孔率高，流体可以通过其内部孔洞进行渗透与流动，因此可以作为轻质高效散热器的填充材料，在电子工程、民航动车、航空航天等领域具有巨大的应用前景。
　　本文针对高热流密度的功率电子元器件散热问题，采用以不同基体材质、不同孔密度以及不同孔隙率的泡沫金属为填充物的平板式换热器，选用高温制冷剂R114作为冷却工质，系统地实验研究了 R114在泡沫金属内部的流动换热过程，分析了泡沫金属材料的固体骨架材质、孔隙结构参数等对平板式散热器传热性能和阻力特性的影响规律，主要研究内容和实验结论有：
　　①设计并加工了以泡沫金属为填充物的平板式换热器，并以高温制冷剂R114为工质，对以铜和铝为基体材质、孔密度在10ppi~20ppi、孔隙率在0.921~0.959的6块泡沫金属填充的平板式换热器，在热流密度为26.3~90.3kw·m-2，质量流量为0.0153~0.0397kg·s-1的范围内，进行了实验研究，获得了不同工况下的等效表面换热系数。
　　②在相同工况下，低孔密度、高孔隙率泡沫金属填充的平板式换热器壁面均温性更好；在相同孔密度和孔隙率下，泡沫铝比泡沫铜的换热器壁面均温性更好。
　　③在相同质量流率时，换热器的等效表面换热系数随热流密度的增大而增大；在相同热流密度时，换热器的等效表面换热系数随质量流率的增大而增大；在相同工况条件下，泡沫金属的孔密度越大、孔隙率越低、固体骨架导热系数越高，则换热器的等效表面换热系数越大。
　　④在微干度（x≤0.1）条件下，保持工质质量流率不变，平板式换热器的进出口压差不随热流密度的增加而发生显著变化；在相同热流密度条件下的单相液态流动换热时，进出口压差随着工质质量流率的增加而增加，并且泡沫金属的孔密度越大，其换热器上的压差越大。
　　⑤将实验数据与文献中矩形通道内填充泡沫金属的对流换热准则关联式计算结果进行了对比，并获得了R114在微干度（x≤0.1）流动状态下流经泡沫金属内部的流动换热实验关联式。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 冷却技术的发展

1.3 泡沫金属性能研究现状

1.4 研究意义

1.5 研究方法与内容

2 泡沫金属结构性能参数及制备方法

2.1 泡沫金属材料简介

2.2 泡沫金属材料主要性能及参数

2.3 泡沫金属材料的制备方法

2.4 本章小结

3 实验系统及实验方案

3.1 实验系统的组成及工作原理

3.2 实验系统的具体设计

3.3 实验方案设计

3.4 本章小结

4 实验步骤及数据处理方法

4.1 实验启动前的准备工作及调试

4.2 实验步骤及注意事项

4.3 实验结果计算公式及数据处理

4.4 误差分析

4.5 本章小结

5 实验结果及分析

5.1 系统稳定时间与壁面温度的比较

5.2 壁面均温性分析

5.3 渗流阻力特性分析

5.4 传热特性分析

5.5 微干度流体状态下实验结果与经验计算式的比较

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 本文的不足及对未来工作的展望

致谢

参考文献