仿蜂巢结构复合吸液芯均热板传热性能

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随着电子领域的快速发展,小型化和高度集成化是电子元器件发展的必然趋势。大热流密度条件下,寻求更加有效的散热方式,已经成为当前电子领域的研究热点。以热管为基础发展而来的蒸汽腔(VC)均热板具有导热系数高、启动性好、均温性好等优点,在高热流电子冷却领域中得到广泛应用。而均热板的综合传热性能一定程度上取决于吸液芯。将仿生结构与传统VC均热板相结合是一种提高其传热和流动性能的重要思路。基于蜂巢结构优良的流动和传热性能,本文将柱状蜂窝结构与传统VC相结合,提出一种仿蜂巢结构复合吸液芯均热板。采用数值模拟方法对其流动和传热性能进行了研究,以期进一步提高均热板在大热流密度负荷下的传热性能。本文的主要研究工作如下:(1)基于Cotter提出的热管理论,对VC均热板内部的流动与传热机理、均热板的各项传热极限进行了详细的理论分析;利用热阻网络法对均热板各环节的传热热阻进行了理论计算。为仿蜂巢复合吸液芯均热板数值模型的构建和研究提供理论基础。(2)提出了一种仿蜂巢结构复合吸液芯均热板,其吸液芯由冷凝端芯和具有仿蜂巢结构蒸汽通道的蒸发端芯组成,并构建其三维稳态数值模型,采用耦合式求解策略进行求解。在此基础上利用(1)所提出的传热极限和热阻理论对该均热板进行校核,确定了本文所提出的仿蜂巢复合吸液芯均热板理论上最重要的传热极限应该是毛细极限,其热阻的理论值约为0.135 K/W。最后,设计并搭建了均热板实验测试平台,通过实验方法对数值模拟方法的有效性进行了验证。(3)在(2)所提出的仿蜂巢复合吸液芯均热板数值分析模型基础上,对其热工水力性能进行了研究分析。主要结论如下:仿蜂巢复合吸液芯均热板的传热性能优于传统VC均热板;仿蜂巢结构通道为气液相工质提供了多条流动路径,使均热板温度分布更均匀;随热负荷的增大其内部工质相变作用增强,传热性能提升,当热负荷高于60 W时,传热性能由于内部流体流动受阻而下降。(4)研究了不同结构参数对仿蜂巢复合吸液芯均热板传热和流动性能的影响。主要结论如下:凹槽宽度、圆形空腔直径对均热板传热和流动性能的影响具有竞争性,较大的结构参数有利于改善均热板传热性能及其内部蒸汽工质的流动性能,但是较小的结构参数有利于提高液体工质的回流率。蒸汽腔高度对均热板传热和流动性能的影响存在一个临界值(2mm左右),当蒸汽腔高度低于该临界值时,内部蒸汽工质的流动及压降变化剧烈,均热板性能恶化。因此,在设计均热板时蒸汽腔高度的取值应该大于该临界值。
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