（工程热物理专业论文）热接地平板的理论分析与实验研究.pdf

硕士论文热接地平板的理论分析与实验研究 摘要 本文主要进行了基于流体在微通道内相变换热的平板热管热接地平板传热特 性的实验研究和理论分析。主要研究内容如下： ( 1 ) 设计并制作了微通道结构的热接地平板。热接地平板的外观尺寸为： 1 0 0r n n lx 3 0 姗x 7l r l i n ( 长x 宽高) ，内部蒸汽通道空间的尺寸为： 9 0 m m x 2 0 m m x 2 仰n 。蒸汽通道的内表面各4 6 个9 0 m m x o 2 m m x o 6 m m ( 长宽深) 的微通道作为液体循环通道； ( 2 ) 搭建了相应的热接地平板热管传热实验系统，主要包括热接地平板，台架， 加热片，封装套、冷却水循环器，热电偶，温度数据采集器等。利用该装置进行了不同 角度，不同容量工质及不同蒸发压力条件下热接地平板传热特性的实验研究： ( 3 ) 依据经典的圆形同轴结构热管研究所得出的理论，结合热接地平板的结构特 点，对其理论公式进行适当修正，使其适合于实验研究对象热接地平板的理论分析 和计算。根据热接地平板的结构尺寸及汽液两相流体在平板热管内的循环特点，通过计 算汽相阻力、液相阻力、质量力及毛细力等因素给出热接地平板的工作参数； ( 4 ) 通过对实验数据的处理和分析，得出如下结论：( a ) 随着热流密度的增大， 热接地平板的壁温升高，工作温差升高，当量导热系数升高，导热系数与密度之比变大； ( b ) 在不同蒸发压力下，1n 1 1 乙醇作为工质时热接地平板的壁温比和工作温差比值是 随着热流密度的增大而减少，当量导热系数比值随着热流密度的增大而增大；( c ) 在最 佳运行条件下，热接地平板的最高壁温4 0 8 7 ，工作温差为1 7 9 2 ，当量导热系数 1 2 7 8 w ( m k ) ，导热系数之比为3 8 6 ，导热系数与密度之比4 9 1 。 关键词：平板热管，当量导热系数，实验研究 a b s t i - d c t 硕士论文 a b s t r a c t t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h e r m a lg r o u r l dp l a t e ( t g p ) ，w h i c hi sb a s e do nt h e h e a tt r a n s f e ro fp h a s ec h a n g eo fl i q u i di nm i c r o c h a n n e l s ，i si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa r es t a t e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h em i c r o c h a n n e ls t r u c t u r a lt g p i sd e s i g n e d t h eo u t s i d ed i m e n s i o n so ft g p a r elo om mx 3 0m mx 7m m ( l e n g t h x w i d t h h e i g h t ) t h ei n s i d ev a p o rc h a n n e l sd i m e n s i o n s a r e9 0t o n ix 2 0m mx 2n l m f o r t ys i xm i c r o - c h a n n e l sw i t hd i m e n s i o n so f 9 0r a mx 0 2r a i nx 0 6m m ( l e n g t h x w i d t h x d e p t h ) a r em a c h i n e da s t h ep a s s a g e so fl i q u i d f l o w s e c o n d l y , as e to fe x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rt h eh e a tt r a n s f e ro ft g p i sb u i l du p ，w h i c h i n c l u d e st h e r m a lg r o u n dp l a t e ，o r i e n t a t i o nr e g u l a t o r , e l e c t r i c a lh e a t e r , c o o l i n gw a t e rc i r c u l a t o r , t h e r m a lc o u p l e s ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n ds oo n t h eh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t so ft g pi n d i f f e r e n tt i l ta n g l e s ，d i f f e r e n tl i q u i dc h a r g i n ga n de v a p o r a t i o np r e s s u r ea r ec a r r i e do u t t h e n , b a s e do nt h et h e o r yo fc l a s s i ch e a tp i p ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft g p , t h e e q u a t i o n sa r eg e n e r a l i z e da n da m e n d e dt om a k ei ts u i t a b l ef o rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ff l a t h e a tp i p e t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft g pi sc a l c u l a t e da n da n a l y z e db yt h em o d i f i e d e q u a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ed i m e n s i o n so ft g p a n dt h et r a n s f e ro fv a p o r - l i q u i di nc h a n n e l s ， t h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r so ft g pa r ew o r k e do u tb yt h ec a l c u l a t i o no fr e s i s t a n c eo fv a p o r , r e s i s t a n c eo fl i q u i d ，g r a v i t yf o r c ea n dt h ec a p i l l a r yf o r c e l a s t l y , t h ef o l l o w i n gp o i n t sa r ec o n c l u d e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ( a ) a st h ei n c r e a s i n gh e a tf l u x ，t h ew a l lt e m p e r a t u r eo ft g p , t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ， e q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h er a t i oo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yt od e n s i t ya l li n c r e a s e ( b ) w i t ht h ei n c r e a s i n go fh e a tf l u xu n d e rt h ed i f f e r e n te v a p o r a t i v ep r e s s u r e ，t h er a t i oo fw a l l t e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft g pc h a r g e dw i m1m la l c o h o li n c r e a s e ，b u t t h e e q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yr a t i od e c r e a s e s ( c ) u n d e rt h eo p t i m i z e do p e r a t i o nc o n d i t i o n , t h em a x i m u mw a l lt e m p e r a t u r eo f t h e r m a lg r o u n dp l a t ei s4 0 8 7 ，t h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c ei s17 9 2 ，e q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t yi s115 0 w ( m k ) ，t h er a t i oo ft h e r m a l c o n d u c t i v i t i e si s3 8 6a n dt h er a t i oo f t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dd e n s i t yi s4 9 1 k e y w o r d s ：f l a th e a tp i p e ，e q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , e x p e r i m e n t a ls t u d y i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 2 0 p 年乡月2 p 日 硕士论文热接地平板的理论分析与实验研究 1绪论 1 1 热管的发展历史 在众多的传热和冷却系统中，热管是当今最有效的装置之一。与其他传统的方式相 比，使用热管的好处是可以通过很小的截面积长距离传递大量的热量而不需要其它的动 力设备。另外，设计制作简易，比较小的端到端的温度降低，在不同温度范围控制和传 递较高的热流密度都是热管独有的优良特性【l 】。 在十九世纪中期n - - 十世纪，热管的发展被p e r k i n s 家族在英国以一系列专利的形 式介绍。p e r k i n s 热管大多是利用重力无微结构的热管，在这些热管中，热量传递是通 过相变换热。在1 8 3 6 年，j a c o bp e r k i n s 获得最接近现代热管的p e r k i n s 热管设计专利。 这个热管是个密闭的热管，有少量的水在热管里进行气液循环。 在美国的专利2 3 5 0 3 4 8 中，通用汽车公司的g a u g l e r 在1 9 4 4 年介绍了热管的构想。 他的装置由一根密闭的管子构成，在管子里液体在一段吸收热量而蒸发，蒸汽沿着管子 流动，在另一段凝结，释放热量，凝结后的液体由毛细力运输到蒸发段，从而完成一个 循环。为了使冷凝后的液体提升到更高的位置，g a u g l e r 建议毛细结构使用烧结的铁粉。 g a u g l e l 设计了一个制冷单元，在单元中，热管把热量从热源传递到冰槽中。然而，他 的方案没有被通用汽车公司用于制冷问题。 在1 9 6 2 年，t r e f e t h e n 把热管应用于空间工程。在1 9 6 3 年，热管有了新的发展，在 新墨西哥州的l o s a l a m o s 美国国家实验室，g r o v e r 重新构思了熟管类型并获得专利。 g r o v e r 等人在1 9 6 4 年和1 9 6 6 年建立了几个原创性的热管。这些热管开始是以水作为循 环工质，后来发展到钠作为工质，钠作为工质的热管在1 1 0 0 k 温度下运行。他们证明 了热管作为高性能传热器件的有效性，并且发展热管的应用范围。在1 9 6 6 年g r o v e r 定 义了热管，热管是一种合成的工程结构，它的导热系数比一般金属大得多。在1 9 6 6 年 的专利中，g r o v e r 对热管进行了严格的理论分析，并给出不锈钢热管的实验数据，热管 中使用了层微小结构，使用钠，银，锂作为循环工质。 热管作为一种可靠的传热工具被人们所认识，是因为在1 9 6 5 年c o t t e r 第一次公开 发表了热管的基础理论和设计方法。随着这次公开，热管的研究遍布全球。在英国，原 子能实验室开始实验研究钠热管，将它作为一种热量转换器。另外，在以色列和意大利 的联合原子能研究中心，科学家开始相似的研究。这个研究中心很快成为美国以外最活 跃的研究中心。紧接着，德国，法国，前苏联也都开始这个领域的研究。 在1 9 6 4 年，r c a 成为第一个研究热管的商业机构。他们早期的支持来源于和美国 政府的两年的合同。热管可以用铜，镍，不锈钢等制造，运行工质可以是水，钠，铯， 锂等。通过实验研究，热管的最大运行温度达到了1 6 5 0 。 l 1 绪论硕士论文 早期，热管的应用领域的发展速度很慢。自从热管可以应用在微重力场合，因为它 只要有毛细作用，不需要外力或者泵，于是热管在空间应用中得到发展。然而，由于能 量的大量消耗，工业领域开始看中热管在能量节省上的贡献。今天，世纪上大多数国家 都在研究，发展和商业化热管【2 1 。 1 2 热管的类型 热管在设计和制造中，有不同的尺寸，有0 6 r a m 宽，0 6 m m 高，2 5 r a m 长的微型热管， 也有l o o m 长的热管( 如阿拉斯加工程应用的热管) 。所有的热管都有蒸发器和冷凝器。 很多热管有绝热段，它把蒸发段和冷凝段分开，同时满足应用中尺寸上的要求。热管可 能有几个蒸发段，几个冷凝段和几个绝热段。工质循环依靠微结构的毛细力，另外，重 力，离心力，静电力，渗透压力也可以把工质从冷凝器运送到蒸发器。 对于不同的应用，热管有不同的形状。考虑到设计和制造，热管通常是圆柱状的， 但是，也有其他类型的热管，比如矩形的平板热管，锥形的旋转热管，鼻盖形的前缘热 管。 a ) 两相密闭的热虹吸热管 两相密闭的热虹吸热管是重力型热管( 如图1 1 ) 。冷凝段在蒸发段的上面，所以冷 凝液依靠重力从冷凝段回到蒸发段。和毛细力驱动的热管一样，热虹吸热管在运行中会 图1 1 重力无微结构型热管( 两相密闭的热虹吸管) 遇到声速和蒸汽压限制。但是热虹吸热管比毛细力热管更容易达到输运极限，因为它有 自由的液体表面。与输运极限相对的是过溢，这是热虹吸管运行中最严重的限制。热管 壁温的振荡和蒸汽压的上升会导致过溢极限。在热虹吸管中的沸腾极限是因为膜态沸 腾，而在毛细力热管中，沸腾极限是因为核态沸腾。在蒸发段，当管壁和液体之间形成 2 硕士论文热接地平板的理论分析与实验研究 蒸汽膜，热虹吸管的沸腾极限发生了。当液体填充比例很小时，干涸极限可能发生，这 时，所有的液体都在液膜中，不存在液池。 热虹吸管的运行对工质的填充比例很敏感。对于没有微结构的热虹吸管，在一定的 范围内，随着工作工质量的增加，最大的热流也增加。为了推迟过溢极限和改善壁面和 液体的接触，在热虹吸管中有时也增加微结构。在热虹吸管中，通常不考虑毛细极限， 因为重力是液体从冷凝段到蒸发段的主要驱动力。 b ) 毛细力驱动热管 毛细力驱动热管由密闭容器和管壁内周的微结构组成( 如图1 2 ) 。微结构的目的是 为了提供毛细力驱动使冷凝液返回到蒸发段。足够的液体工质被放入密闭容器中，使微 结构充满液体。毛细力驱动热管的运行过程：进入蒸发器的热量使微结构中的液体蒸发， 蒸汽进入蒸汽空间，由于蒸汽空间蒸发段的压力大于冷凝段的压力，蒸汽从蒸发段运输 到冷凝段，蒸汽到达冷凝段释放热量，变成液体，由于微结构中间隙的气液交界面产生 的毛细力是冷凝液从冷凝段返回到蒸发段。由于毛细力驱动热管的两相特性，它可以在 很小的温差下长距离的传递热量和创造等温的表面。通常，毛细力驱动热管会遇到毛细 力极限。当微结构不能使足够的液体返回蒸发段时，毛细力极限发生了。这时，蒸发段 壁温突然持续上升。毛细力驱动热管大多应用在航天领域，例如维持太空中一面面对太 阳一面面对深空的卫星的温度稳定性。当然，毛细力驱动热管在其他领域也有应用。 图1 2 传统的毛细力驱动热管 c ) 环状热管 环状热管与传统的毛细力驱动热管相似，不同之处是蒸汽空间是环状的而不是圆柱 状( 如图1 3 ) 。这种结构可以使设计者在环状热管外管的内侧和内管的外侧都可以布置微 结构材料。在这种方式下，可以不增加管子的外径，却使热量输入和输出的表面积增加 很多。所以，在相同外径下，环状热管的毛细力极限比传统的毛细力驱动热管提高很多。 环状热管在恒温室方面的应用得到很好的结果，因为它使温度稳定能力强和对冷负荷的 3 1 绪论硕士论文 响应时间短。同时，这种热管可以联接两个圆柱形的热管，只有把圆柱形热管放在环状 热管的内管里。 图1 3 传统的环状热管和同轴的环状热管：a ) 传统的b ) 同轴的 d ) 平板热管 平板热管是利用毛细力驱动的，它有纵横比很小的矩形截面( 如图1 4 ) 。在蒸发段 与冷凝段之间另加的微结构有助于冷凝液的返回，特别是在重力场中冷凝段在蒸发段之 下。如果冷凝段在蒸发段之上，那在冷凝段就不需要微结构，因为冷凝液会依靠重力落 到蒸发段。但是，在蒸发段还是需要微结构，微结构可以使冷凝液在蒸发段分布均匀防 止局部蒸干。平板热管在电子器件冷却方面有很好的应用前景。很小的半导体器件可以 按阵列方式布置在平板热管上。 h a ti n p u t l li ll l i ll il jl 图1 4 平板热管 e ) 旋转热管 旋转热管可以分为两种结构。第一种，热管可以是有锥度的或无锥度的圆柱状，它 可以绕着自己的对称轴和其他的轴旋转；第二种，热管可以制造成光盘状，它是由两个 4 硕士论文 热接地平板的理论分析与实验研究 内径和外径相同的平行盘状结构组成( 如图1 5 ) 。圆柱旋转热管和传统的圆柱热管运行 基本相同，不同之处是圆柱旋转热管的内锥度利用离心力有助于冷凝液从冷凝段回到蒸 发段。对于光盘状热管，热量输入在盘的外周，输出在盘的内周，它可以利用离心力使 冷凝液从冷凝段回到蒸发段，不需要利用内锥度。所以，在旋转热管中没有使用毛细微 结构。圆柱状旋转热管被使用于冷却电动摩托的转予和金属切割工具。盘状旋转热管被 用于冷却透平部件和汽车刹车部件。 图1 5 旋转热管 f ) 前缘热管 前缘热管被用于冷却超音速航天飞机和重返大气层的飞行器的头部( 如图1 6 ) 。 这种热管布置在飞行器机翼的前置边界，在这些前缘空气摩擦热非常强烈。热管可 以把这些位置的热量传递到冷凝段，冷凝段再通过辐射或者对流将热量散发。因为前缘 热管应用在很高的热量密度和很高的温度条件下，所以热管工程师在设计和制造这种热 管时遇到很多挑战。 图1 6 前缘热管的设计原理图 5 1 绪论硕士论文 曲气载热管 气载热管是一种变导热系数的热管。气载热管和毛细力驱动热管或两相热虹吸热管 相似，不同之处是气载热管的蒸汽空间有不凝性气体存在( 如图1 7 ) 。在热管运行期间， 不凝性气体缩短了工作蒸汽在冷凝段的长度。在不凝性气体存在的地方，工作蒸汽不发 生凝结，所以一部分工质不能传递热量( 如图1 7 a ) 。当蒸发段吸热增加时，工作蒸汽 和不凝性气体的温度都增加，这将会压缩热管内的不凝性气体( 如图1 7 b ) 。这样冷凝 器传热面积就会增加。即使热管吸热增加，气载热管也能使蒸发段保持一个比较稳定的 蒸发温度。气载热管已被使用于恒温室和电子器件的冷却。 c o n d e n s e r e c t i o l l 图1 7 气载变导热系数热管的运行 舢毛细力驱动环路热管 未来的飞行器和电子器件系统的散热要求比现在的单相系统高1 0 到1 0 0 倍。一种 特殊的热管正在被人们设计和研究，它就是毛细力驱动环路热管( 如图1 8 ) 。 蒸发器吸收热量，工作液体蒸发，产生的蒸汽沿着轴向的蒸汽通道流动，蒸汽到达 冷凝段时，首先在管子内壁出现液体膜，然后形成气泡流。在到达蒸发器之前，液体经 过过冷器，过冷器排除蒸汽泡。在蒸发段的微结构的毛细力控制工质的流动和工作温度。 两相储存器可以控制系统，类似于可变热导率的热管。与传统的热管相比，毛细力驱动 环路热管具有几个方面的优点：因为微结构只在蒸发器中，容器其他部分的内壁光滑， 这样可以减小液体和蒸汽的压力降：在普通热管中，液体和蒸汽是逆向流动，而在毛细 力驱动热管中，液体与蒸汽是同向流动，这也可以减小压力降。同时，毛细力驱动热 管的热源与热汇可以相距很远，所以它是一种高效的热传导器件。 6 硕士论文热接地平板的理论分析与实验研究 图1 8 毛细力驱动环路热管 i ) 单通道热管 g i r m m a 1 使用挤压截面制造了单通道热管，这种热管把液体返回通道和蒸汽空间 相分离( 如图1 9 ) 。在蒸汽空间上面的平表面，热量可以输入和输出。因为热量不通过 液体返回通道传导，所以可以减小由于气泡的动脉阻塞。微结构布置在内壁中，使冷凝 液从动脉中返回蒸发段。单通道热管可以用于几千瓦的空间散热器散热系统。 h l n e p m u tt 瞳t 一 图1 9 单通道热管 7 l 绪论硕士论文 1 3 工作液体和温度范围 在热管的运行中，每种热管都有不同的温度范围。所以，热管的设计必须考虑热管 应用的温度范围，从而选择工作流体。作为一种经验法则，蒸汽压力大于o 1 个大气压， 小于2 0 个大气压。低于o 1 个大气压时，蒸汽的压力限会产生。高于2 0 个大气压时， 容器的厚度很厚，热管的壁面导热热阻很大。 热管的寿命与容器，微结构，工作流体的性质，它们之间的相容性有关。在容器内 如果存在不相容性，热管传热性能会大大下降。另外，管壁材料可能溶解在工作流体中， 或者在理想工作温度下工作流体发生催化分解。 根据工作流体的沸点，热管可以分为四类：超低温，低温，中温和高温。热管中工 作流体的总量是气相和液相的总和。在正常运行状态下，由于弯月面退缩进了蒸发器的 微结构中，工作流体的选择标准通常大于最优需求量。和缺少工作流体相比，稍多的工 作流体有助于传热。但是，如果工作流体过多，大量的液体可能聚集在冷凝段，增加了 冷凝段的热阻，从而降低热管的传热能力。 a ) 超低温热管 超低温热管运行在4 开尔文到2 0 0 开尔文。典型的工作流体包括氦，氩，氧，和氪。 超低温热管的传热量很小，因为汽化潜热小，粘性大，工作流体的表面张力小。 b ) 低温热管 低温热管运行在2 0 0 开尔文到5 5 0 开尔文。大多数热管都可以在这个温度范围运行。 常用工质有氨，丙酮，氟氯烃化合物和水。化合物，例如二苯基和二苯基共晶，应用在 低温热管的温度范围的上段。水是最广泛应用的工作流体。因为它有很好的热物理特性， 汽化潜热和表面张力大，使用安全。 c ) 中温热管 中温热管的温度范围是5 5 0 开尔文到7 5 0 开尔文，工作流体是汞和硫。液态汞有极 好的内在属性，例如高的热导率。然而，在毛细力热管中，液态汞很难浸润微结构和管 壁。另外，汞是有毒的物质。 d ) 高温热管 高温热管的温度范围是7 5 0 开尔文及以上，工质有钠，锂，银和钠钾化合物。液态 金属工质热管的传热量比其他热管大得多，因为液态金属的表面张力系数，汽化潜热， 热导率都很高。 1 4 热管的极限 在热管的稳定和过度运行中，有不同的参数限制。换句话说，热管的传热特性受到 一系列的运行限制。可能限制热管中热量传递的物理现象有毛细力、声速、输运、沸腾、 8 硕士论文 热接地平板的理论分析与实验研究 冻结启动、蒸汽的连续性、气体压力和冷凝器热传递。热管的限制可能是上面这些现象 中的个别或几个综合因素，它们与热管的尺寸和形状，工作流体，微结构，运行稳定有 关。在给定的温度下，这几个限制中最小的一个定义了热管传递热量的最大值。 a ) 毛细力极限 在特定的毛细结构中某种工作流体循环的能力是有限的。这种限制通常称为毛细力 极限或者水动力限制。在低温热管的运行中，通常会受到毛细力极限的限制。当毛细力 不能使足够的流体返回到蒸发段时，毛细力极限达到了。这是因为最大毛细力小于液体 和气体流体的总压力降。最大的毛细力取决于微结构和工作流体的物理特性。当达到毛 细力极限时，继续增大热流密度，蒸发段会出现蒸干，这会导致蒸发段的壁温突然上升。 b ) 声速极限 由于蒸发和冷凝，热管的蒸发段和冷凝段分别代表质量增加和减少的气体流动通 道。蒸汽速度沿着蒸发器增加，在蒸发器末端达到最大值。这种流动系统的限制和质量 流速相同的缩放喷管相似。所以，希望蒸汽速度在喉部不要超过当地声速。这种拥塞流 动现象叫声速极限。声速极限通常发生在热管的启动阶段，或者在冷凝器传热系数很高 的情况下，稳定运行时也会发生。这种极限通常与液体金属热管有关，因为液态金属热 管蒸汽速度大，蒸汽密度小。当声速极限超过时，热管的效率降低不大，而毛细力极限 会使效率降低很多。增加蒸发器端部的温度会使声速极限达到更高的值。在拥塞情况下， 降低冷凝段的温度不会使传热速率增加。所以，在拥塞的情况下，只有提高蒸发器的温 度，热量密度才会增加。热管在热量接近或者就在声速极限下运行时，沿热管的轴向有 很大的温度差。 c 1 沸腾极限 如果蒸发段的径向热量密度很大，在蒸发器微结构中的液体会沸腾，从而使壁温变 得过高。在微结构中的蒸汽泡阻止液体湿润管壁，这就导致了热点。如果沸腾很严重， 微结构中的液体会被蒸干，这就是沸腾极限。在低的或中等的径向热流密度情况下，中 等强度的稳定沸腾不会导致蒸干。应该注意，沸腾极限是由于径向热流密度限制，而其 他极限是轴向热量密度的限制。但是，径向热流密度通过蒸发器表面积与轴向热流密度 联系起来，所以最大的径向热流密度决定了最大的轴向热流密度。这种极限通常发生在 非金属工作流体热管中。对于金属工质热管，沸腾极限很少见到。 d ) 输运极限 由于气体和液体的移动方向相反，在气液交界面上存在剪切力。在相对速度很高时， 微结构中的液体会以液滴的形式进入气体中，从而被带入冷凝段。如果这种输运太强烈， 蒸发器会被蒸干。当这个发生时，传热速率的限制就是输运极限。液滴的输运可以通过 液滴击打冷凝段的声音来进行判断。输运极限通常发生在小壹径的低温或中温热管中； 当蒸发段的热量输入太大时，高温热管也会达到输运极限。 9 1 绪论 硕士论文 曲蒸汽压力极限 当热管的运行稳定较低时，粘性力是蒸汽流动的主要阻力。在液体金属热管中，冷 凝段端部的蒸汽压可能降到零，在这种情况下，热管的热量传递受到限制。当热管在正 常运行温度下运行时，会遇到蒸汽压力极限( 粘性力极限) 。例如热管从冻结状态启动 时，这时。蒸汽压很小，冷凝器的端盖处蒸汽压力几乎为零。 d 冻结启动极限 在热管从冻结状态启动期间，热管的有效长度小于热管的总长度，此时，液体在微 结构中流动的长度小于正常运行时的长度。所以，热量的输入如果不是太高，不是太突 然，启动期间毛细力极限不会发生。然而，对于内含冻结工质的热管的启动，如果工质 的熔化温度和热管壁面、微结构的热容都很大，同时，液体的汽化潜热和微结构的横截 面都很小，这种情况下，蒸汽可能在绝热段或冷凝段冻结，这就是冻结启动极限。 蓟冷凝器热传递极限 通常情况下，热管的冷凝器和冷凝器的冷却方式应该设计好，使冷凝器能够把热管 传递的最大热流密度散发出去。但是，在高温热管的一些情况下，热管的最大热流密度 不能被散发出去。另外，在热管的连续运行中，可能出现不凝性气体，不凝性气体使热 管的有效长度变短，使蒸发段不能完全得到利用。这两种情况下，热量传递的限制都是 冷凝器热传递极限。 h ) 蒸汽连续流动极限 当热管在很低的温度下运行，特别是热管的尺寸也很小，例如微型热管，热管中的 蒸汽可能是自由分子状态或者稀薄状态。这种情况下，热管的热量传递也受到限制，这 就是蒸汽连续流动极限。 在微通道结构的平板热管中，制约热管工作特性的最大因素通常是毛细力极限，因 此本文的研究也着重考虑毛细力极限的影响。 1 5 热接地平板( 平板热管) 的研究现状 热接地平板是一种微型平板热管。现将国内外有关实验或理论研究现状介绍如下。 张丽春、马同泽、葛新石等人 6 】针对微小型多槽道轴向热管，分析了热管工作温度、 倾角、冷却方式、充液率等因素对热管传热性能的影响，得到微型热管的最佳充液率范 围、当量导热系数和热管的传热能力。 s h a o w e l lc h e i l 等人【9 】通过实验研究了不同加工工艺的微槽道中的沸腾极限温度和 毛细极限温度，得n - l 、化学蚀刻和精铣的样本，在相同尺寸时，沸腾极限温度和热 阻都基本相同：2 、精铣样本的毛细力大于化学蚀刻的样本毛细力；3 、毛细极限温度随 尺寸增加而升高；4 、在达到毛细极限温度后，增加热量，加热器表面温度和整个热阻 都急剧增加。 1 0 硕士论文热接地平板的理论分析与实验研究 l lv a s i l i e v 等人【l3 】提出热管基本方程的一些变化形式，但是微型平板热管因为尺 寸小，需要进一步改进。同时，他通过实验研究了三种不同毛细芯( 1 - s c r e e nl a y e r s ，2 w i r e b u n d l e ，3 c o p p e rs i n t e r c dp o w d e r ) 热管的最大传热量，发现第三种最大。 r a n d e c ps i n g h 等人1 2 3 j 通过实验研究了带有平板蒸发器的微环形热管，得到：1 、在 高低热负荷下启动，微环形热管都能得到稳定参数。但是负荷低时，启动时间长，负荷 高时，启动时间短，低负荷启动时，蒸发器和冷凝器的温度差大；2 、当负荷变化时， 微环形热管的各部件的温度也随输入负荷发生迅速变化，并能在2 , - , 3 分钟内达到稳定； 3 、输入负荷在7 0 w 时，设备的热阻最小，同时蒸发器的温度在1 0 0 左右；4 、当负 荷为1 0 w 2 0 w 时，发生了热振荡和水力振荡。随负荷增加，振荡频率上升而振幅降 低；5 、目前，铜一水微环形热管的热性能能够满足高功率电子设备的热控制。 s t e p h a n el i p s 等人 3 0 】通过实验研究了带有透明密封板的平板热管，进行了两项实 验，一是固定填充液实验，二是变填充液实验。通过实验一知道集核沸腾对蒸发器的传 热有重要影响，可改善传热，同时，在平板热管的温度场中，集核沸腾存在迟滞性。实 验二表明干涸热流和填充比例有关，同时填充比例对冷凝段传热有重要影响，为了最小 化整个传热热阻，存在最优的填充比例。 s c h u l z h a r d e r j u r g e n 等人瞰】提出了一种新型热管设计，这种热管由包括完整的平 板热管的陶瓷基片三明治结构组成。在热管的两边，有效的电子元件，比如i g b t 或 m o s f e t ，能被安装在铜蚀刻电路上。可以散热的热流密度超过8 0 w c m 2 并且与工作 倾角无关，无论是水平还是垂直。该热管在内部压力为7 b a r 时陶瓷基片不破裂。空间 应用的所有要求都可以得到满足。第一个应用就是可能用来冷却卫星上d c d c 转换器。 y c a o 等人【3 5 】采用了放电加工( e d m ) 的线切割方法，制作了两个平面铜水轴向槽 微型热管。由于e d m 方法的优点，轴向槽被使用在微型热管的整个内部。在不同的热 流输入，冷却温度和方向下，测试了两个微型热管。在蒸发器外表面，测得的热管的最 大传热功率约为4 0 瓦，达到的最大热通量约2 0 w c m 2 。基于微型热管的外部截面积， 热管的有效热传导率是铜的4 0 倍。如果基于微型热管的内部横截面面积来评估有效的 熟传导率，它能够超过铜热导率的1 0 0 倍以上。基于某些解析式，对热管的局限性进行 了分析。分析发现，对于测试的微型热管来说，毛细管限制是控制热传导的重要因素。 为了提高解析模型的精确度，用从文献中找到的精确的二维解法，对毛细管限制的水力 半径进行了修正，采用了考虑液气界面的剪切应力的摩擦因数的表达式。基于这些修 正的分析结果与相应的实验结果吻合较好。 n p o p o v a 等人【3 6 】研究的目的是开发和验证带有平板热管的双面电子基板，设计的 散热量为3 5w 。被评估的热管包含个创新的热管毛细结构( 在机械加工领域的铜烧 结矩形通道) 。为了研究热管的热性能和功能限制，进行了一些传热试验。使用红外热 成像装置，对温度梯度和最高温度进行了测量，对有效的热导率进行了计算。实验结果 1 绪论硕士论文 与普通铜基得到的数据相比较，结果表明，以金属衬底作为主要组成部分的热管，能显 著降低基板内的温度梯度，提高有效热导率和降低芯片的最大温度。 h o m g - j o uw a n g 等人1 3 7 1 对矩形交叉微槽道的毛细管特性分别进行了理论和实验研 究。槽道被垂直放置，底部插入液体中。使用h e l m h o l t z 自由能来分析毛细特性。在实 验中，微槽道由厚的光阻材料光刻成形。然后将薄铜层沉积于其表面以提高液固表面的 亲水特性。研究表明，理论分析和实验研究结果吻合较好。同时，分析了带微槽道热管 的毛细限。计算了受摩擦力和重力引起的最大毛细泵压和压降影响的槽道宽度和数目对 毛细限的影响。对于需要一定热传输速率的热管，运用提出模型可以计算微槽道的可行 的几何范围。 为了分析带矩形微槽道结构的微型平板式热管的热力学特性，k y uh y u n gd o 等m 】 建立了数学模型。此模型考虑了气液界面剪切力，接触角和液体量的影响。通过求解壁 面一维热传导方程和改进的y o u n g - l a p l a c e 方程，分析了壁面温度的轴向变化和蒸发凝 结速率。得到壁面温度和最大传热速率的模型的结果和试验结果的吻合性较好。通过模 型的验证可以发现，为了预测热管传热特性，在早期研究中所作的假设是明显错误。同 时，通过所建立的模型，考虑到槽道的宽度和高度，对有微槽道结构的微型平板式热管 的最大传热速率进行了优化。对比实验结果，优化后的最大传热速率计算结果增大2 0 。 f l e f e v r e 等人【5 1 】提出了一种有关微型平板热管内部液体及蒸汽流的分析解法，这 种解法与热管内部的温度解法是耦合的。计算了平板热管的最大热量传输能力，即确定 了其中几个热源和热汇的位置。把网格或粉末烧结毛细管结构考虑为多孔介质，对微型 平板热管内部的毛细管结构建立了模型。热模型能够计算出的热通量的一部分，这部分 热流量来自微型热管壁面的相变时的热量转移。 r e m ir e v e l l i n 等人【5 8 j 结合平板热管内部的有关液相和蒸汽相的二维水力模型和三 维热传导模型，在此基础上做出改进，提出了一个解析模型。考虑到蒸发或凝结对毛细 管结构的等效导热系数的影响，本模型由两个独立的解法叠加而成。温度，压力和速度 场可以用傅立叶解法确定。基于凹槽的微型平板热管的文献资料，该模型已经被实验验 证是有效的。在数值数据库的基础上，提出了两个新的有关矩形微槽内蒸发和凝结的热 传导系数的关系式。给出了饱和温度和几何结构对系统的最大热流密度的影响。 f r e d e r i cl e f e v r e 等人1 5 刿对一个微槽道平板热管建立了气液流动模型和热模型，并对 两者进行了耦合。模型可以计算出液体和气体的压力与速度，槽道中液体凹面曲率半径， 热管内部从热源到热汇的热管壁温度场。为了考虑气液交界面的热传递，在热模型中引 入了液体凹面曲率半径。实验中，测量的液体凹面曲率半径和沿热管的温度都与模型计 算结果进行了比较，结果表明，数学模型在预估热传递容量最大值和温度场方面的 能力很好。为了改进热性能，这个模型被用于优化热管尺寸，得出最优尺寸，= 3 6 0 9 i n ， z 厂= 1 0 0 1 a m ，风= 2 5 6 0 9 m ，胃p = 7 0 0 l a m ，此时的最大热流密度和热阻分别是： 1 2 硕士论文热接地平板的理论分析与实验研究 2 w c m 2 ，0 0 3 5 k w 。1 ( = 7 0 ) 。 gc a r b a j a l 等人f 6 1 1 运用准三维数学模型描述了平板热管热扩散器的热力学特性 并进行了数值模拟。气相计算中使用了具有低松弛因子的显式有限体积法。同时用较小 的时间步长进行分析。研究中考虑的物理问题是对一蒸发表面进行瞬态不均匀加热较短 时间后移走热源。然后系统通过自然对流和凝结区的辐射换热进行冷却。在瞬时加热和 冷却过程中，能量有明显的吸收和部分释放。数值模拟结果表明，气相的水平对流和较 高的温度耗散加速了气相核中的温度分布的扩展，并且温度分布逐渐均匀。在瞬态加热 后期，凝结温度分布基本一致。通过对比铝板和平板热管的瞬时温度分布表明，平板热 管能够在凝结段更均匀的传递热量。 s u n gj i nk i m 等人【7 2 】对于带微槽道结构的微型热管传热传质问题提出了一种数学 模型。在稳态条件下分析得到了最大传热速率和总热阻。在模型中考虑了气液界面剪切 力，接触角和初始液相量的影响。介绍并证实了被称为修正s h a h 法的新方法，这个方 法是提出模型的核心，它考虑了气液界面剪切力的影响。对最大传热速率和总热阻进行 了实验测量以验证模型。基于模型的最大传热速率和总热阻的计算结果与实验结果吻合 较好。依照提出模型，为了增强微型热管的热力学特性，进行了数值优化。预计，当对 现有结构的微槽道进行优化后，外径为3 m m 和4 m m 的热管的最大传热速率可以增加 4 8 和7 3 。同样，最大热阻可分别减小7 和1 1 。 热管方向布置在热管特性中占有很大影响因素。在特定方向的热管特性和它的微结 构直接有关。在重力辅助流动作用下，低毛细限的微结构工作特性最佳，此时，蒸发发 生在凝结的下部。c k l o h 等人【7 s l 主要研究考虑不同方向的带不同微结构的热管特性。 结果表明：对于粉末烧结金属热管由于毛细力很强，热源方向和重力的影响很小，当蒸 发器在冷凝器上面时不宣采用微槽或丝网结构热管，对于外径6 m m 的热管在0 0 , - 9 0 0 范围内，微槽结构热管比丝网和烧结粉末有更好的传热特性。 1 6 本文的主要内容 针对热接地平板的研究现状，目前，对一些机理还没有完全掌握。至于工程应用， 还需要不断通过实验积累经验，以实验来修正理论模型，并通过模型来指导实验。本文 的主要工作如下： ( 1 ) 设计和制作热接地平板实验件，搭建热接地平板实验台； ( 2 ) 依据经典热管理论，结合国内外相关技术的研究进展，总结出适用于计算平 板热管传热特性的数学模型，并以此对实验参数进行预测计算： ( 3 ) 根据实验结果，对实验数据分析和处理，通过比较不同条件下平板热管的工 作特性，确定平板热管的最优工作状态。 2 实验装置及实验系统设计硕士论文 2 实验装置及实验系统设计 本章主要介绍研究热接地平板工作特性的实验装置及对应的实验系统设计。为了研 究热接地平板的传热特性，根据国内外相关研究的技术进展及工程应用，设计并加工制 作了微通道结构的热接地平板及包括对应的注液、减压、加热、绝热、冷却、温度采集、 角度调整等组成部分的实验系统。目前，适用于电子器件冷却的热管属于低温热管，大 多数相关研究所选用的工质都是水，本文分别选择水和乙醇作为实验工质。 本实验的目的是测定热接地平板的工作温差，当量导热系数等热性能参数。实验方 法是通过测量热接地平板从蒸发段到冷却段传热方向上的温度变化，然后根据相应的公 式进行计算得到所需参数。 2 1 实验装置系统结构 整个实验系统包括一个可进行角度调整的台架，一个热接地平板模块，一个完成绝 热和冷却功能的封装套，一个稳压功率输出电源，两片电加热片，一个冷却水循环器， 套热电偶温度采集系统及数据记录计算机。实验装置系统简图如图2 1 。 出 空 气 8 l 一热接地平板，2 一电加热片，3 一封装套，4 一冷却水循环器， 5 一直流稳压电源，6 一热电偶，7 一温度数据采集器，8 一计算机 图2 1 实验装置系统简图 图2 1 中，两片电加热片分别固定在热接地平板蒸发段的两个表面上，接触面涂导 热硅脂以降低热阻。电加热片由两路输出可调的j w y - 3 0 b 型直流稳压电源供电，同时 1 4 堡圭堡苎垫墼些芏堑盟堡堡坌堑兰塞壁堑塞 监视输出电压和电流。热量加热平板及内部的流体利用流体的蒸发及平板壁面将热量 传递到冷凝段。热量在冷凝段通过热交换，利用冷却水将热量带走。温度数据采集器与 热接地平板上布置的沿流体流动方向的热电偶相连，从而利用温度数据采集器读取热接 地平板上表面的温度分布。另外，温度数据采集器可以与计算机相连通过利用计算机 中的采集软件直接读取温度，代替人工读数。实验装置系统实物图如图2 2 。 图22 实验装置系统实物