相变力驱动机制的环路热管设计与实验研究

摘要

近年来，电子技术迅猛发展，核心部件的研制向着小型化，集成化的方向迈进，以计算机芯片为代表的高热流密度器件的散热问题就成为制约其性能提高的关键问题。环路热管凭借着非动力循环的结构以及高效的传热效率等优势，被公认为是解决电子领域散热难题的最佳手段之一。为了适应芯片日益增高的热流密度，对环路热管传热效率的提高也提出了新的理论与技术的挑战。 人们致力于传统毛细芯环路热管的结构改进，其目的是为了使环路热管的换热效果得到强化。毛细相变回路传热机制的特征是通过毛细芯产生的毛细力来驱动工质流动，主要利用流体的相变来传递热量。但毛细相变回路传热机制所表现出的缺陷是： （1）在工质流动循环中，气液相界面位于毛细芯内，在多孔介质层产生两相流动； （2）蒸发器的两端都可能伴有相变发生，导致主流相变工质会有小部分反相流动使循环流动阻力增加。能否改变蒸发器的结构，避免在毛细芯内发生相变，重新认识并设法改善气液相变对工质循环产生的驱动力？这就是本文所要研究的内容。 本文提出了一种蒸发器为环形结构以相变力为驱动机制的环路热管，在结构设置上形成传热与传质的相对分离，在驱动工质循环理论上进行了根本的改变。 围绕这种新的传热机制结构的环路热管，本文展开了如下研究： 设计及研制了闭路循环的以相变力为驱动机制的新型环路热管，圆形蒸发段设有相变空间结构，使得工质在蒸发段内的相变仅发生在该空间区域，形成气液相对分离的工作状态，从而减小系统流动阻力与传热阻力，来提高传热性能。依据气液分离的传热机制，在减小系统流动阻力与传热阻力的同时，使热管的传热性能得到提高。 依据气液分离的传热机理，建立合理的气液界面数学模型，分析系统稳定工作状态下的压力平衡条件，推导出其极限驱动条件公式。 建立了强化相变力环路热管性能测试的实验平台，研究了多孔材料、相变空间、重力及工质充注量等因素对环路热管传热性能的影响。通过实验研究与理论分析，探明得到使其循环阻滞与最佳工作状态两个极端的条件，分析出多因素及其耦合作用对其性能的影响。 实验结果证实了该热管设计结构的可行性和其理论支撑，为下一步重点围绕相变与界面传递理论等问题的深入研究奠定了基础，展现出了应用基础研究所具有的创新探索魅力。