新型超薄热管的传热特性实验研究

摘要

电子设备的小型化、高度集成化以及高功率等对散热技术提出了新的挑战，超薄热管(ultra-thin heat pipe，UTHP)作为一种被动式相变传热装置，是解决电子设备在狭小空间内散热问题的理想工具。吸液芯是热管最重要的部件，目前超薄热管中的吸液芯结构简单、尺度单一，热管的传热特性很容易受到限制，无法满足更高功率电子设备的散热需求。基于此，本文研制了总厚度为1.30mm的新型超薄热管，其内部吸液芯为多尺度复合结构，包括多孔介质底层(porous layer，PL)和多孔介质丝(porous wire，PW)，利用化学的方法对吸液芯和冷凝表面进行了改性处理。本文设置了四种实验样品:＃1样品属于传统的铜丝平板热管，＃2～＃4样品内部的吸液芯为新型的多尺度复合结构。＃2样品的吸液芯与冷凝表面均未改性，具有亲水性能;＃3样品的吸液芯表面长有纳米结构，具有超亲水特性，而冷凝表面未改性;＃4样品的吸液芯和冷凝表面长有不同的纳米结构，分别具有超亲水和超疏水性能。本文详细地叙述了这四种样品的加工过程，并对其内部微观结构进行表征;利用吸水实验分析了吸液芯的吸水能力，探究了重力、纳米结构以及吸液芯结构对吸水特性的影响规律;通过热态实验研究了吸液芯结构、纳米结构、充液比及倾角等对热性能的影响，并分析了热管的均温性能。
　　本文研制的新型多尺度复合吸液芯结构，结构新颖，实现了热管内部汽-液相分离，平衡了多个参数之间的矛盾。本文提出了多孔介质丝的新型加工工艺，并优化了复合吸液芯成型及热管封装过程，与传统的热管制备工艺相比，本文的制备过程简单、高效，具有一定的商业价值。观察了热管内部的微观结构，纳米结构改变了吸液芯和冷凝表面的浸润性和结构属性，在热管内部形成了纳米-微米-厘米的多尺度结构。
　　吸液芯的吸水能力是浸润性、毛细力以及粘性阻力综合作用的结果，吸水实验表明:本文设计的吸液芯能够反重力吸液，并且在重力辅助情况下吸液速度更快;纳米结构增强了吸液芯表面的浸润性，一定程度上降低了多孔介质的有效孔径，增强吸液芯的毛细力，但同时也增大了粘性阻力;在吸液芯干燥的情况下，粘性阻力的作用较弱，纳米结构能提高吸液速度;吸液速度呈现出前期较快而后期逐步减小的特征;液滴被多孔介质丝吸入的时间最长，被多孔介质底层吸入的时间最短，而被组合吸液芯吸入的时间介于以上两者之间。
　　热管的传热特性由蒸发段和冷凝段的传热特性共同决定，蒸发段和冷凝段的共同作用使＃2和＃3样品在较小功率下总热阻随功率的变化曲线几乎重合。吸液芯表面的纳米结构对热性能的影响与充液量有关。当吸液芯中的液体较少时，纳米结构促进了沸腾传热和冷凝液体的回流效率，提高了热管的传热性能;当吸液芯中的液体充足时，纳米结构会增大吸液芯中蒸汽溢出阻力和液体流动阻力，限制了热管的传热性能。＃1～＃3样品的冷凝机理为膜状冷凝，冷凝液膜厚度影响热管的冷凝传热效果，超亲水吸液芯能够促进冷凝液体的吸收，减薄冷凝液膜厚度，促进冷凝传热;拌4样品的冷凝机理为滴状冷凝，滴状冷凝机理缩短了冷凝液体回流的路径，提高了冷凝液体回流的效率。＃4样品在任何冲液比工况下，都能够承受较高的热流密度，但是冷凝表面的自组装层作为附加热阻，增大了＃4样品的总热阻;无纳米结构的样品适合在大充液比工况下运行，含有纳米结构的样品在小充液比工况下运行效果更佳。重力对热管的热性能影响较大，当蒸发段位于冷凝段正下方时，热管的传热性能最佳。＃2和＃3样品的冷凝表面温度梯度较小，冷凝段与绝热段之间的温差不大;而＃4样品具有热阻较大的自组装层，其冷凝表面的温度梯度较大，冷凝段与绝热段之间存在较大的温差。
　　本文设计的新型超薄热管的传热性能良好，最大功率是普通铜丝平板热管的9.5～16.4倍，最高当量导热系数是纯铜板的28.9～58.5倍。撑2样品的最佳传热性能在所有样品中是最优的，最大功率可达83.7W，最小总热阻仅有0.1651K/W，最高当量导热系数为23288.7W/(m·K)。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 超薄热管研究简介

1．2．1 超薄热管的工作原理

1．2．2 超薄热管的基本类型及应用

1．3 超薄热管的国内外研究现状

1．3．1 超薄热管吸液芯的研究进展

1．3．2 微纳结构强化传热研究进展

1．4 现有研究工作的不足

1．5 本文研究的主要内容

2．1 引言

2．2 超薄热管结构及特征尺寸

2．3 超薄热管制备

2．3．1 样品加工步骤

2．3．4 检漏、抽真空和注液

2．4 微观结构形貌表征

2．5 吸液芯吸液能力测试

2．5．1 吸水实验

2．5．2 吸液芯吸水机理分析

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 热态实验系统

3．3 数据处理

3．4 误差分析

3．4．1 冷凝段热电偶测温校核

3．4．2 不确定度分析

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 吸液芯结构对热性能的影响

4．3 纳米结构对热性能的影响

4．3．1 小充液比时纳米结构的影响

4．3．2 大充液比时纳米结构的影响

4．4．1 最佳充液比

4．4．2 充液比对蒸发段的影响

4．4．3 充液比对冷凝段的影响

4．5 倾角对热性能的影响

4．6 均温性

4．7 最佳传热性能汇总

4．8 本章小结

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢