带平板蒸发器的三维脉动热管传热特性及其在LED冷却方面的应用研究

摘要

作为高热流密度散热冷却方案中一种很有希望的传热器件，脉动热管具有结构简单、制作成本低廉、传热性能突出和环境适用性强等优点，在微电子器件冷却、余热回收利用、太阳能集热等领域已展现出很好的应用前景。但脉动热管是一种涉及多物理学科的复杂汽液两相流系统，其工作机理至今尚未完全揭示，如何进一步强化脉动热管传热特性和拓宽其应用场景，还有待进一步的研究。 本文首次将管式脉动热管和板式脉动热管进行结合，综合两者的优点设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维结构脉动热管，搭建了脉动热管实验测试平台，从使用工质、充液率和放置角度等入手，系统研究了三维脉动热管的启动和传热特性，主要工作和结论如下： （1）在竖直、水平和侧躺三种放置方式下对三维脉动热管进行了实验研究，比较了热管在不同充液率下的启动和传热性能，实验工质为乙醇和去离子水，充液率范围20%~70%。实验结果表明，该三维结构的脉动热管具有很好的空间适用性和良好的启动性能，竖直和水平放置下均能有效启动，但水平放置情况下脉动热管的启动时间较竖直放置增长，启动功率和启动温度也更高；启动温度总体上随着充液率的减小而下降。同时，该热管具有优异的传热效果，传热性能随着充液率的减小而提高；相比于水平放置，竖直放置时热管振荡更加稳定、传热性能更好，随着充液率的增加水平和竖直放置时热管的热阻差呈增长趋势。相比于乙醇工质，使用去离子水时三维热管总体展现出更好的传热性能，且热管蒸发段的平均温度更小，不同部位的均温性也更好，但冷、热段的温度振荡幅度都稍高于乙醇。 （2）针对水平放置时三维脉动热管在充液率较高时难以启动和传热性能变差的问题，结合普通吸液芯热管的特点，通过在热管蒸发段平行圆通道内部引入烧结铜粉吸液芯的方式对该三维脉动热管进行了改进，并对该脉动热管在不同情况下的启动和传热特性进行了实验研究。结果表明，与未烧结铜粉的脉动热管相比，烧结铜粉吸液芯结构的引入能够显著地提高脉动热管的启动和传热性能，使其在竖直和水平放置情况下能够更好地工作运行，具有很好的抗重力特性。 （3）将蒸发段带烧结铜粉吸液芯结构的三维脉热管应用于高功率LED（80 W）冷却方面，构建了实验测试平台，并对该三维脉动热管在不同充液率、加热功率、倾斜角度下的启动特性、LED背面温度及光照强度进行了分析和讨论。结果发现，该脉动热管对LED具有很好的冷却温控效果，热管能够快速启动并迅速进入稳定运行状态。该热管的传热性能随着充液率的减小而提高；同时，随着热管倾角的增大，LED背温逐渐降低而光照强度则逐渐增大，背温和光照强度呈现出相反的趋势。随着加热功率的进一步提高，热管倾角对光照强度和LED背温的影响也越大。

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