小型軸向槽道熱管傳熱性能的研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的集成度越來越高，其發(fā)熱量也越來越大，因此電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。熱管技術(shù)在電子熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐漸為人們所重視，并表現(xiàn)出令人樂觀的發(fā)展前景。對(duì)于筆記本電腦CPU等高發(fā)熱量元件的散熱，小型軸向槽道熱管已經(jīng)成為必不可少的傳熱部件。對(duì)小型軸向槽道熱管內(nèi)部的汽液兩相流動(dòng)、相變傳熱過程的深入系統(tǒng)研究不僅可以為熱管技術(shù)在高端電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域的應(yīng)用和進(jìn)一步推廣奠定基礎(chǔ)，而且可以豐富熱

2、管理論、為微小空間的傳熱傳質(zhì)過程研究乃至微米尺度傳熱學(xué)提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　 本文在分析總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，建立了小型軸向槽道熱管水平穩(wěn)定操作的熱阻模型，并建立了操作方便、數(shù)據(jù)可靠的試驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)一種商業(yè)形式的小型軸向槽道熱管進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)熱阻模型予以驗(yàn)證。并針對(duì)采用傳統(tǒng)圓柱狀小型軸向槽道熱管二次加工制成的扁平形式、部分扁平形式以及彎曲形式進(jìn)行了試驗(yàn)和分析。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 (1)建立了二維小型

3、水平圓柱狀軸向槽道熱管的熱阻模型，該模型在熱管液相的軸向流動(dòng)計(jì)算中，采用準(zhǔn)二維方式，軸向質(zhì)量、動(dòng)量平衡方程和周向柱坐標(biāo)掃描過程相結(jié)合，提高了模型精確度，模型計(jì)算了不同槽道形式下，不同充液量的熱管，在不同工作溫度下的穩(wěn)態(tài)工作熱阻。
　　 (2)根據(jù)不同熱管形式和使用方式，設(shè)計(jì)了風(fēng)冷電加熱和水冷水加熱測(cè)試系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)冷電加熱系統(tǒng)加熱方式靈活、操作簡(jiǎn)便、結(jié)果直觀；而水冷水加熱系統(tǒng)精度比較高、可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱平衡標(biāo)定。

4、>　　 (3)首次發(fā)現(xiàn)小型軸向槽道熱管在水平和負(fù)傾斜角度下存在啟動(dòng)滯后現(xiàn)象，通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是蒸汽在微槽道內(nèi)出現(xiàn)非連續(xù)流動(dòng)現(xiàn)象，通過運(yùn)用氣體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行分析，得出微槽道在各個(gè)溫度下的臨界轉(zhuǎn)變尺寸，并得到了小型軸向槽道熱管壁面溫度突躍值，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　 (4)針對(duì)小型圓柱狀軸向槽道熱管的傳熱特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)充液量的條件下，熱管蒸發(fā)段的相變形式以蒸發(fā)為主，而非傳統(tǒng)熱管理論所認(rèn)為的以沸騰為主。研究

5、發(fā)現(xiàn)在大充液量，正傾斜角度情況下，小型軸向槽道熱管可能出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定傳熱現(xiàn)象。通過對(duì)小型軸向槽道熱管在不同傾斜角度和不同工作溫度下傳熱特性的分析和研究，發(fā)現(xiàn)傾斜角度對(duì)熱管的影響主要是對(duì)熱管液相工作介質(zhì)回流阻力的影響，在本研究中毛細(xì)極限是小型軸向槽道熱管的主要控制極限。工作溫度降低會(huì)導(dǎo)致小型軸向槽道熱管冷凝段換熱系數(shù)的降低，而負(fù)的傾斜角度會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)段換熱系數(shù)的降低。
　　 (5)針對(duì)不同扁平度的小型軸向槽道熱管進(jìn)行了分析和研究，

6、得出當(dāng)壓扁厚度為2mm時(shí)，制約小型軸向槽道熱管傳熱能力的主要因素已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝妮S向流動(dòng)阻力而不再是液相的回流阻力。對(duì)于2mm厚的小型軸向槽道熱管，蒸汽的軸向流動(dòng)產(chǎn)生的熱阻成為熱管熱阻的主要部分，所以粘性極限也相應(yīng)地成為主要控制極限。熱管蒸發(fā)段的換熱形式仍然以蒸發(fā)過程為主，且其數(shù)值可以采用圓柱狀小型軸向槽道熱管的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。
　　 (6)針對(duì)在蒸發(fā)段和冷凝段部分壓扁的小型軸向槽道熱管進(jìn)行了分析和研究。發(fā)現(xiàn)蒸汽流動(dòng)對(duì)小型軸向槽道

7、熱管的傳熱性能的影響比較大。通過對(duì)小型軸向槽道熱管軸向溫度梯度的分析，發(fā)現(xiàn)不同形式的小型軸向槽道熱管，軸向蒸汽壓力損失也不相同。隨著冷凝段的厚度減小，蒸發(fā)段的蒸汽流動(dòng)壓力損失最大位置將向絕熱段移動(dòng)。通過模擬研究和分析，發(fā)現(xiàn)在熱管蒸發(fā)段向絕熱段過渡的突擴(kuò)段和絕熱段向冷凝段過渡的突縮段存在渦流和二次流現(xiàn)象，并且在熱管冷凝段出現(xiàn)湍流流動(dòng)的特征，這些蒸汽流動(dòng)過程的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致小型軸向槽道熱管傳熱性能的下降。
　　 (7)針對(duì)不同厚度的絕熱

8、段90°彎曲小型軸向槽道熱管進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析。發(fā)現(xiàn)對(duì)于小型軸向槽道熱管來說，在絕熱段彎曲后，仍能保持比較好的傳熱性能。研究發(fā)現(xiàn)彎曲段的蒸汽局部流動(dòng)阻力對(duì)小型軸向槽道熱管的傳熱性能有比較大的影響。分析了蒸發(fā)段和冷凝段換熱系數(shù)隨傳遞功率變化的趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)段換熱系數(shù)在穩(wěn)定工作段隨著傳遞功率的增加而增加，而冷凝段換熱系數(shù)在穩(wěn)定工作段則隨著傳遞功率的增加而降低，并通過對(duì)熱管內(nèi)部液相工作介質(zhì)的分布的研究，定性的給出了上述現(xiàn)象的解釋。