平板热管在功率器件散热中的均温性实验

摘要

随着信息技术产业升级发展，功率器件的集成趋势对热管理提出了更加苛刻的要求，除了使功率器件维持在合适的温度范围，还要使器件或组件维持足够的温度均匀性。平板热管以相变传热为基础，结构简单、导热性能好，因此在功率器件散热领域有广阔的应用前景，如何深入研究并应用平板热管的均温性能成为了优化应用领域的新方向。　　本次实验设计加工了一种铝制槽道结构平板热管，结合直流式液冷系统对平板热管的启动、传热、均温性能展开了实验研究。主要的工作内容和结论包括：　　实验过程中，监测热管的热阻响应特性可以发现，不同加热功率下将一维热阻R1D的大小变化作为衡量平板热管内部相变强度的指标，在低功率20-40W时，热管启动缓慢且热阻较大。当功率增大至55W-85W时，平板热管一维热阻降低，且一维热阻值最终稳定在0.05-0.06K/W区间内。　　对比测试了10%-70%充液率下平板热管的启动、传热、均温性能。结果表明：充液率对平板热管的性能有决定性影响，本次实验设计的平板热管存在一个最佳充液率区间40%-50%，当充液率为40%时平板热管的均温最好，50%时平板热管的一维热阻R1D最小。　　保持其它工况条件不变的情况下，测试了平板热管在不同加热功率、不同冷却流速下的均温能力。加热功率不断增加时，平板热管蒸发侧表面均温性出现逐渐变好趋势，没有随着功率的增大而恶化，液相工质沸腾过程强烈掺混作用使得蒸发侧温度更加均匀；液冷流速从0.3m/s降低至0.1m/s时，平板热管冷凝侧与蒸发侧表面前后端温差没有随液冷板前后端带走热量不均现象的扩大而增大，验证了平板热管存在气相工质横向流动冷凝均温作用。　　使用倾角测试平台，实验对比了-20°、-10°、0°、10°、20°下平板热管的传热和均温性能。结果表明：不同倾斜角度下，平板热管一维热阻均呈现增大趋势，但负10°倾角下，均温性能出现了优于水平工况下的现象，侧面验证了平板热管工作过程中存在气液两相流动带来的均温作用。

目录

1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 功率器件散热原理

1.3平板热管的国内外研究现状

1.3.1热管的发展与分类

1.3.2平板热管的工作原理

1.3.3平板热管实验的国内外研究现状

1.3.4平板热管模拟的国内外研究现状

1.4本文研究内容

2 热管与液冷板设计

2.1.1热管材料与工质的选择

2.1.2平板热管蒸汽腔结构设计

2.2传热极限理论

2.2.1沸腾极限

2.2.2毛细极限

2.2.3携带极限

2.2.4声速极限

2.3.1 有限元方法简介

2.3.2 直流式液冷板的设计

2.3.3直流式液冷板的三维有限元模型建立

2.3.4直流式液冷板流量分配均匀性分析

2.4本章小结

3实验测试系统及数据处理

3.1 实验系统介绍

3.1.1模拟均匀加热系统

3.1.2 数据采集系统

3.1.3液冷板冷却系统

3.2 实验前的准备

3.2.1平板热管密闭性检测

3.2.2注液方法的选用

3.2.3能平衡计算

3.3.1热阻的计算方法

3.3.2均温性标准差计算方法

3.4 不确定度分析

3.5 实验不确定度计算

3.5.1模拟均匀加热热源的相对不确定度

3.5.2 测量温度的相对不确定度

3.5.3 密封性压力测试的相对不确实度

3.5.4 一维热阻的相对不确定度

3.6本章小结

4 实验结果及分析

4.1.1 温度响应特性

4.1.2 热阻变化特性

4.2.1 充液率对热阻的影响

4.2.2 充液率对热源侧均温性的影响

4.2.3 充液率对冷凝侧均温性的影响

4.3不同加热功率对传热性能的影响

4.3.1加热功率对热管启动性能及热阻的影响

4.3.2加热功率对热管均温性能的影响

4.4非均匀散热条件下不同流速的均温性测试

4.5非均匀散热条件下不同倾角的均温性测试

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参 考 文 献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

C. 学位论文数据集

致谢