高性能平板熱管均熱器的研發(fā)及其傳熱特性的研究.pdf

1、微電子芯片的應(yīng)用遍及日常生活、生產(chǎn)乃至國(guó)家安全的各個(gè)方面，在現(xiàn)代文明中扮演著極其重要的角色，而影響微電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一即是電子冷卻技術(shù)。隨著集成度的不斷提高，電子設(shè)備冷卻問(wèn)題越來(lái)越突出，這主要表現(xiàn)為局部熱流密度大且分布不均勻，熱量容易在局部發(fā)生聚集而導(dǎo)致過(guò)高的局部溫度。因此解決電子設(shè)備冷卻的關(guān)鍵是如何減小過(guò)高的局部熱流密度，防止因出現(xiàn)熱斑而導(dǎo)致設(shè)備故障。在散熱器熱沉設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)散熱效果，熱沉面積通常比芯片面積大很多，致使熱沉

2、散熱表面的溫度分布不均勻，影響了熱沉的散熱效果。傳統(tǒng)的實(shí)心銅板均熱器均熱效果有限，亟需新型均熱器的替代。平板熱管均熱器能最大限度的使熱流密度趨于均勻，其利用熱管原理進(jìn)行工作，傳熱效率高，因此在電子冷卻領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。本文對(duì)平板熱管均熱器進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究，自行研發(fā)了高性能平板熱管均熱器，主要工作包括： 搭建了平板熱管測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用數(shù)值模擬方法對(duì)帶實(shí)心銅板均熱器的翅片熱沉進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)影響其性能的主要因素

3、進(jìn)行了分析。為了模擬電子芯片的發(fā)熱器件，制作了模擬芯片熱源，通過(guò)測(cè)量軸向溫度梯度較為準(zhǔn)確地測(cè)定了模擬芯片熱源的熱流密度。探索了平板熱管加工、密封、充液等工藝過(guò)程和方法。利用商業(yè)軟件對(duì)翅片熱沉進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)翅片的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了均熱板厚度，翅片高度、厚度和間距等參數(shù)對(duì)翅片熱沉散熱性能的影響，特別研究了銅板均熱器厚度及熱源相對(duì)大小等因素對(duì)其均熱性能的影響，指出了傳統(tǒng)銅板均熱器的缺點(diǎn)和問(wèn)題。 對(duì)平板熱管均熱器進(jìn)行了可視

4、化觀察和內(nèi)部溫度、壓力測(cè)量，研究了熱流密度、冷卻條件、相變換熱面結(jié)構(gòu)和工質(zhì)對(duì)均熱性能的影響，對(duì)平板熱管的熱阻構(gòu)成進(jìn)行了分析，并創(chuàng)造性地將磁流體應(yīng)用于平板熱管工質(zhì)．為了更好地觀察和研究平板熱管內(nèi)部的相變傳熱現(xiàn)象及特性，制作了可視化平板熱管并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其良好的均熱特性。通過(guò)對(duì)平板熱管壁面溫度和蒸汽腔內(nèi)壓力的測(cè)量，給出了熱管啟動(dòng)過(guò)程中壓力和溫度的變化情況，研究了微槽道蒸發(fā)面對(duì)平板熱管工作性能的影響，測(cè)試了乙醇和水兩種不同工

5、質(zhì)熱管的性能。通過(guò)對(duì)平板熱管內(nèi)部溫度的測(cè)量，計(jì)算了其軸向熱阻的分布情況，得到了相變熱阻是平板熱管主要軸向內(nèi)部熱阻的結(jié)論。加工了以磁流體為工質(zhì)，內(nèi)部蒸汽腔高度僅為1mm的無(wú)毛細(xì)吸液芯碟形平板熱管，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了熱流密度、充液率和安置方式對(duì)磁流體平板熱管性能的影響。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，水工質(zhì)平板熱管被倒置后在各種充液率下都不能正常工作，但具有較大充液率的磁流體平板熱管在外加磁場(chǎng)作用下能夠克服重力的作用而正常工作。 設(shè)計(jì)加工了具有新型

6、槽道結(jié)構(gòu)的平板熱管并對(duì)之進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，首次明確給出了平板熱管均熱器與銅板均熱器相比的適用條件，建立了槽道式平板熱管微槽道內(nèi)蒸汽及液膜流動(dòng)與傳熱二維動(dòng)網(wǎng)格模型，考慮了液膜形狀與界面兩側(cè)壓力的耦合關(guān)系。為了克服平板熱管均熱器均熱效果好但軸向熱阻大的缺點(diǎn)，利用通體槽道設(shè)計(jì)使蒸發(fā)面的槽道肋端部與冷凝面相接觸，強(qiáng)化了蒸發(fā)面和冷凝面之間的導(dǎo)熱作用，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種新型槽道式平板熱管具有較強(qiáng)的軸向和徑向?qū)崮芰?，并且能在反重力條件下工作，得到了其最佳

7、充液量范圍。通過(guò)對(duì)平板熱管與銅板均熱器當(dāng)量熱阻的比較，得到了平板熱管的適用條件，證實(shí)了平板熱管更適用于加熱功率高和均熱器與熱源面積比值大的情況。銅板均熱器必須達(dá)到一定的厚度才具有較好的均熱效果，而平板熱管在很小的厚度時(shí)，就能發(fā)揮很好的均熱效果。建立了槽道式平板熱管微槽道內(nèi)流動(dòng)和傳熱的二維動(dòng)網(wǎng)格模型，給出了平板熱管槽道內(nèi)的壓力、彎液面曲率半徑、液膜厚度、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布情況，分析了槽道中形成的微液膜區(qū)域?qū)Σ鄣朗狡桨鍩峁苄阅艿挠绊憽?

8、 對(duì)交叉孔道式平板熱管與風(fēng)冷翅片熱沉以及槽道式平板熱管與微肋陣列液冷熱沉進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，并對(duì)之進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)未充工質(zhì)的交叉孔道式平板熱管的性能測(cè)試，得到了其等效導(dǎo)熱熱阻。與其它結(jié)構(gòu)平板熱管的對(duì)比分析表明交叉孔道式設(shè)計(jì)使蒸發(fā)面和冷凝面局部交聯(lián)為一體，減小了它們之間的導(dǎo)熱熱阻，有利于將實(shí)心銅板的軸向熱阻較小和平板熱管徑向熱阻較小的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，從而提高均熱器的性能。對(duì)翅片熱沉與平板熱管均熱器之間的接觸熱阻進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了

9、分體化設(shè)計(jì)中接觸熱阻在均熱器外部熱阻中所占的份額高達(dá)38．6％， 而一體化設(shè)計(jì)可以完全消除翅片熱沉與平板熱管均熱器之間的接觸熱阻，從而大幅度地改善散熱性能。對(duì)槽道式平板熱管與微肋陣列液冷熱沉一體化設(shè)計(jì)散熱裝置的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明水冷微肋與平板熱管一體化設(shè)計(jì)的散熱裝置具有較好的均熱性。通過(guò)提高冷卻液體的流量可以在一定程度上改善散熱效果，但模擬熱源溫度隨流量增大而降低的幅度越來(lái)越小。 制作了槽道式平板熱管與風(fēng)冷翅片熱沉一