改进型重力辅助回路热管特性研究

摘要

重力辅助回路热管的特点主要在于不使用毛细结构,结构简单、加工方便,依靠重力自然回流,蒸汽和液体有各自的通道,蒸发段和冷凝段热阻小,依靠相变传递热量,是一种解决电子器件冷却的方法之一针对如何提高重力辅助回路热管蒸发腔沸腾极限和换热性能,本文从工质侧入手,以提高工质扰动,加快气泡脱离为目的,提出了将气泡泵应用于重力辅助回路热管,并自行搭建了实验台,通过芯片废热来驱动气泡泵运行,以期强化蒸发段换热,提升回路热管传热传质性能。另外,为了进一步强化蒸发腔沸腾换热,作者根据喷雾冷却散热的机理,提出了在蒸发段加装超声振荡装置用于大幅增加二次气化核心,并开展了一些相关的有益的尝试。本文总的具体工作内容如下：
　　(1)简述了重力辅助回路热管的运行机理,深入分析了强化重力辅助回路热管换热性能的沸腾换热强化基本理论及模型;并提出了强化蒸发段传热的方案。
　　(2)搭建了一套带气泡泵效应重力辅助回路热管实验装置：
　　a)对实验装置中的各个部件(包括蒸发段、冷凝段、储液器、加热部分、测量部分)等进行选型与设计,并选择确定系统工质;制作了加热部分和蒸发段,选择加热方案,并实际测试加热部分温度分布均匀性;确定了测量方案及测点布置;确定了实验方案;
　　b)实验研究了冷凝温度、加热功率等参数对实验装置总热阻及热源表面温度的影响。通过实验得到了总热阻、热源表面温度随冷凝温度、加热功率及功率密度等参数变化的规律,并分析充液高度对装置散热性能的影响,根据实验结果分析了最优的充液高度确定方法。同时研究结果表明:利用气泡泵效应虽然会增大传输过程的传输热阻,但却能有效增强蒸发腔内扰流,进而增强换热,提高临界换热热流密度,加热功率为646W时,最小热阻为0.11℃/W;对于本装置,存在一个最佳充液高度,通过观察实验流型图可知,当上升管内为环状流时,充液高度比较合理;蒸发段热阻始终占据总热阻主要部分。
　　(3)实验研究了蒸发腔内加装超声振荡雾化装置对重力辅助回路热管性能的影响实验测试了加装超声振荡雾化装置后,重力辅助回路热管散热性能变化,并分析了影响其性能的可能原因。去离子水通过超声振荡雾化装置被雾化成雾滴,依赖浮力上升，并与散热壁面接触,从初步的实验结果可以看出,超声震荡雾化能在一定程度上能够提高沸腾换热系数。因此,本文认为液膜内的沸腾换热(其中沸腾气泡有两种:表面成核气泡和二次成核气泡)是雾化方法能够强化换热的一个重要因素。文中研究为其在芯片冷却领域的应用打下了一定基础。

目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 芯片冷却散热方法与研究进展

1.2.1 空气冷却

1.2.2 液体冷却

1.2.3 微型制冷机冷却

1.2.4 微通道冷却

1.2.5 热管冷却

1.2.6 喷雾冷却

1.3 本文研究内容

第2章 热管基本理论及沸腾传热强化理论分析

2.1 重力辅助回路热管运行机理分析

2.2 重力辅助回路热管的传热极限

2.2.1 烧干极限

2.2.2 声速极限

2.2.3 沸腾极限

2.3 重力辅助回路热管热阻分析

2.4 沸腾传热基本理论

2.4.1 池沸腾换热曲线

2.4.2 核态池沸腾换热机理模型的研究

2.4.3 沸腾表面上的活化核心分布

2.5 沸腾传热强化技术

2.5.1 池沸腾强化传热技术

2.5.2 流动沸腾强化传热技术

2.6 流动沸腾传热模型

2.6.1 加和模型

2.6.2 渐进模型

2.6.3 强化模型

2.7 小结

第3章 改进型重力辅助回路热管实验研究

3.1 实验装置总体介绍

3.1.1 实验装置

3.1.2 实验装置主要改进措施

3.1.3 实验装置部件详细介绍

3.1.4 实验测量控制系统

3.1.5 实验前准备

3.1.6 实验步骤

3.2 实验结果处理与分析

3.2.1 气泡泵效应对换热效果的影响

3.2.2 充液高度对换热效果的影响

3.2.3 实验装置中各部分热阻分析

3.3 小结

第4章 超声振荡雾化装置对重力辅助回路热管蒸发段换热特性影响实验研究

4.1 实验改进部分介绍

4.2 实验部件

4.3 增加振荡雾化装置传热特性分析

4.4 小结

第5章 全文总结与展望

5.1 总结及结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文及专利情况

致谢