表面張力對脈動熱管傳熱特性影響的理論與實驗研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電子產(chǎn)品已經(jīng)在國民經(jīng)濟(jì)的方方面面得到了大量的應(yīng)用。目前電子器件的小型化、高集成化已經(jīng)成為電子技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，特別是近期出現(xiàn)
　　的“大數(shù)據(jù)”、“云計算”等技術(shù)更是加劇了該趨勢。電子產(chǎn)品在工作過程中會產(chǎn)生一定的熱量，若熱量不能夠及時的散失出去，電子器件的工作性能就會惡化，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。在一些高精端的科技領(lǐng)域，電子器件在工作過程中所產(chǎn)生的熱流密度非常的大，針對電子器件的熱設(shè)計已經(jīng)成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一

2、個瓶頸。傳統(tǒng)的強(qiáng)制對流散熱方式的散熱能力已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前及未來電子設(shè)備散熱的要求，因此迫切的需要一種高效的散熱元件以迎接挑戰(zhàn)。作為一種高效的散熱元件，脈動熱管，又稱為振蕩熱管或自激振蕩熱管，一經(jīng)提出就被認(rèn)為是迎接當(dāng)前和未來電子散熱問題的最有前景的手段之一。脈動熱管具有非常明顯的優(yōu)勢：1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低：脈動熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常的簡單，并不需要毛細(xì)芯，這就使得脈動熱管加工起來比較簡單。同時，脈動熱管的管道直徑較小，成本也比較低；2）較高

3、的傳熱能力：脈動熱管工作過程中，能夠大量的利用工質(zhì)的潛熱進(jìn)行熱量的傳遞，因此脈動熱管具有很高的傳熱能力；3）高度的靈活性：脈動熱管的管道可以彎折并布置成任意的形狀，以適應(yīng)不同的使用場合。目前針對脈動熱管的研究已經(jīng)成為電子熱設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點。
　　脈動熱管的傳熱性能受到很多參數(shù)的影響，這些參數(shù)大致可歸為幾何參數(shù)、工質(zhì)物性參數(shù)和工況參數(shù)。提高脈動熱管的傳熱性能受到學(xué)者們的普遍重視，而通過改善脈動熱管中所使用工質(zhì)的熱物性來是提高脈動熱

4、管傳熱性能、拓寬脈動熱管使用領(lǐng)域的重要手段。其中，傳熱工質(zhì)的表面張力對脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)的流動和傳熱性能均有重要的影響，然而尚無文獻(xiàn)對此進(jìn)行系統(tǒng)實驗研究，更無相關(guān)的理論分析模型。為了深入揭示工質(zhì)表面張力對脈動熱管傳熱性能的影響，并為從改善工質(zhì)表面張力角度提高脈動熱管的傳熱性能提供堅實的數(shù)據(jù)和理論支撐，本文開展了以下主要研究。
　　1）綜述了國內(nèi)外對脈動熱管的實驗研究、理論研究和實際應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。在實驗方面，系統(tǒng)的總結(jié)了幾何參數(shù)、工

5、質(zhì)物性參數(shù)和工況參數(shù)對脈動熱管傳熱性能的影響。在理論研究方面，歸納了針對脈動熱管工質(zhì)振蕩的研究、針對脈動熱管傳熱性能的研究和其他性能上研究的研究成果。在應(yīng)用研究方面，著重評述了脈動熱管在電子散熱、太陽能熱水器、廢熱回收等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。
　　2）理論上提出了用于分析薄液膜區(qū)蒸發(fā)對脈動熱管傳熱與傳質(zhì)影響的分析模型。該模型不僅考慮了液塞和氣塞的對流傳熱過程，還建立了完整的彎月形區(qū)域薄液膜的蒸發(fā)模型。同時以該模型為基礎(chǔ)，分析了液塞振蕩

6、過程中重力、毛細(xì)力和流動阻力的作用。研究表明，毛細(xì)阻力是液塞流動總阻力的重要組成部分。當(dāng)液塞的速度為（1～5）m/s，液塞長度為（5～10）倍的管內(nèi)徑時，液塞的毛細(xì)阻力占總阻力的比例為（15.38～48.45）％。同時當(dāng)降低工質(zhì)的表面張力時，能夠顯著的提高液塞的傳熱能力。該模型能夠為分析工質(zhì)的表面張力對脈動熱管傳熱性能的影響提供理論指導(dǎo)。
　　3）理論分析了脈動熱管的燒干特性，根據(jù)燒干的機(jī)理不同，將燒干分成3大類。并針對第二類燒干

7、進(jìn)行了理論建模。同時，還首次從量綱分析法的角度提出了用于計算脈動熱管極限傳熱能力的無量綱表達(dá)式。研究表明，提高液塞的振蕩速度能夠有效的提升脈動熱管的燒干極限，即降低液塞振蕩的阻力能夠有效的提高脈動熱管的燒干極限。該部分的研究對于界定脈動熱管的安全工作范圍具有重要意義。
　　4）設(shè)計并搭建了脈動熱管傳熱性能實驗裝置，該裝置包括測試模塊、加熱模塊、冷卻模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。其中，溫度采集的不確定度為0.1K，充液率的不確定度為1.27%

8、，熱阻的不確定度小于3.75%；
　　5）實驗研究了去離子水、表面活性劑分別作為工質(zhì)時，脈動熱管的啟動性能、傳熱性能和燒干性能。所采用的表面活性劑為硬脂酸鈉，所研究的表面活性劑溶液的濃度分別為0ppm，10ppm，20ppm和40ppm。所采用的充液率分別為18.9%，30.9%，43.8%，56.7%和67.9%。實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用表面活性劑溶液作為工質(zhì)時，脈動熱管能夠在更低的蒸發(fā)段溫度下啟動；同時，采用表面活性劑溶液能夠