微小型毛细泵环热控制系统及其制造技术

针对当前微电子芯片高热流密度问题,设计一种微小型毛细泵吸环路(Capillary pumped loops,CPL)热控制系统.介绍制造该微小型CPL的方法:采用犁切-挤压成形微沟槽翅结构和刨削成形整体式翅片散热片,毛细吸液芯则采用商用多孔泡沫金属或丝网材料.该微小型CPL系统由蒸发器、冷凝器、蒸汽联管、液体联管以及液体工质组成.蒸发器中含有多尺度多维交错互通微沟槽翅强化沸腾结构,冷凝器为微沟槽翅结构与翅片散热片组成的复合结构,可有效提高系统蒸发冷凝效率.整个系统利用工质蒸发冷凝相变传热,通过毛细泵吸作用和蒸发气体压力保证循环,依靠饱和毛细芯对气体的阻碍作用保证工质的单向流动,无需机械泵和阀控制.     

新型微小型平板CPL蒸发器流动与传热分析

提出一种新型微小型平板毛细抽吸两相流体回路(Capillary pumped loop,CPL)的蒸发器结构,使其能够适应高热流密度散热的要求。分析蒸发器由于微型化后侧壁导热对系统传热能力的影响。建立新型蒸发器毛细多孔芯内的传热传质数学模型和液体补偿腔的流动与传热模型以及蒸汽槽道和金属外壁区域的导热模型,并用SIMPLE算法对蒸发器进行整场耦合求解。数值结果表明,工质蒸发发生在多孔芯上表面以及侧壁附近,采用热导率较大的铝外壁时,蒸发器加热表面的温度水平较低且温度均匀性较好,但侧壁导热的影响导致CPL的传热能力不高。外壁采用热导率较小的不锈钢可以明显提高CPL的传热极限能力,但同时却较大地增加了加热表面的温度水平以及不均匀性。采用组合结构的蒸发器一方面可以提高系统的传热能力,同时降低了加热表面的温度水平和温度梯度。     

多孔丝网作两相毛细泵环毛细芯的研究

建立了一套毛细泵环路热管及其性能测试系统,采用不同多孔丝网构成了3种毛细芯,在以水为工质的毛细泵环路热管运行中做了实验.实验表明复合芯的热阻比单一丝网的热阻小8%,复合芯的传热极限比单一丝网的传热极限高3% .因此丝网毛细芯的结构对CPL传热性能有较大影响,采用复合毛细芯可以得到较好的传热性能.     

颗粒形貌及表面润湿性对毛细芯及环路热管性能的影响

利用粒径63.5μm的球形铜粉和66.0μm的枝状铜粉烧结了两种不同结构的环路热管(Loop heat pipe,LHP)毛细芯,并采用H2O2化学氧化方法对毛细芯进行了润湿性改进处理,试验分析了颗粒形貌和润湿性对毛细芯的吸液性能以及LHP换热性能的影响规律。结果表明,与球形颗粒毛细芯相比,工质在枝状颗粒毛细芯内具有较快的爬升速率。对于改性前的亲水毛细芯,蒸馏水在枝状颗粒毛细芯内爬升18.0cm所用时间降低了约85.0s,且枝状颗粒毛细芯的总吸液质量较大,为球形颗粒毛细芯吸液量的2.0倍。毛细芯经H2O2氧化后表层生长出纳米级的片状结构,增强了毛细芯的亲水性,吸液性能得以提高。热性能试验结果显示,与球形颗粒毛细芯LHP相比,枝状颗粒毛细芯LHP的运行温度较低。在加热功率为280W时,运行温度降低了7.6℃。     

铜纤维烧结毡毛细芯结构毛细泵环的性能研究

毛细芯是毛细泵环的关键部件,其结构直接影响毛细泵环的传热性能.采用铜纤维烧结毡作为CPL的毛细芯,设计与制造了一种小型CPL及其性能测试系统,通过改变工质灌注量和毛细芯孔隙率实验研究对CPL传热性能的影响规律.结果表明:以乙醇为工质,在灌注量20mL条件下可使该CPL运行状态良好,工质灌注量过多或过少都会降低其传热性能;当烧结毡孔隙率在(70～95)%范围内时,CPL的系统热阻随孔隙率的增大先变小后变大,当孔隙率为80%时其系统热阻最小,该CPL传热性能达到最佳.     

平板铝热管微沟槽吸液芯的制备及毛细性能研究

采用犁切-挤压(P-E)和表面化学加工相结合的方法制备出一种新型的铝沟槽吸液芯结构,通过毛细上升红外测试方法对其毛细性能进行测试表征,研究不同的CuCl_2溶液浓度和浸泡时间对吸液芯结构毛细性能的影响。研究结果表明,化学加工后的铝沟槽吸液芯的毛细性能显著提高,其最大毛细上升高度可达49.3 mm,相比于未经化学加工的犁切沟槽,其毛细上升高度提高约79.3%;当CuCl_2溶液浓度超过1mol/L时,浸泡时间和溶液浓度对铝沟槽吸液芯的毛细压力影响较小。该方法能够简单、有效的提高铝沟槽吸液芯的毛细性能,为平板铝热管吸液芯的制备提供了一种新手段。     

多孔槽复合吸液芯制备及毛细性能研究

本文通过采用电化学沉积方法,在铜沟槽管内表面制备得到多孔槽复合吸液芯。利用SEM对复合吸液芯进行微观形貌分析,并搭建吸液芯毛细性能测试平台,探究了电解液溶度对复合吸液芯毛细性能的影响。结果表明,电化学沉积制备的复合吸液芯毛细性能均优于沟槽吸液芯,其中电解液溶度为0.03mol/L时,复合吸液芯的毛细性能最好,毛细上升高度为46.5 mm,与沟槽吸液芯相比,毛细上升高度提升了52.3%。     

激光制备微热管复合沟槽吸液芯及毛细压力验证

吸液芯结构是微热管的重要组成部分,其对微热管传热性能起到关键作用。目前,随着微热管的微型化,多种新型吸液芯结构相继提出,有效的拓宽微热管的应用领域。激光刻蚀法已成为制备微热管微型沟槽的高效可行法。借助激光刻蚀技术优势制备出微热管复合沟槽吸液芯,分析复合沟槽结构具有良好的表面质量;然后建立复合沟槽吸液芯毛细压力轴向分布数学模型,得出微热管内毛细压力沿轴向分布情况,证明复合沟槽提供较大的毛细压力,从而具有优异的传热性能。     

带汽液分离腔的树状微通道热管运行性能研究

设计了一种超薄的新型闭环热管(BLHP),该热管蒸发器部分采用树状仿生微通道代替吸液芯,并在冷端嵌入汽液分离腔。着重研究了30%～70%充液率下BLHP的运行特性和启动特性。试验结果表明:BLHP运行方向为逆时针单向循环;BLHP存在启动温度阀值,不存在启动功率阈值,最低启动温度为36.5℃;充液率70%时热阻最低(低至0.12 K/W),启动时间最短(43 s);汽液分离腔的"液池效应"具有稳定工质方向和加速启动的作用;热管中树状仿生微通道比并行通道具有更好的抗振荡特性。     

环路热管蒸发腔内池沸腾的模拟研究

为了探究微型蒸发器内的蒸发沸腾现象，为今后蒸发器设计提供指导。利用FLUENT软件建立了微型蒸发器模型，对封闭空间内池沸腾现象进行了模拟研究，探讨了不同过热度下加热面热流密度、腔内相对压力、液柱排出时间及气泡脱离时间的变化规律。结果表明：热流密度与腔内相对压力均随过热度的提高而增长，其中热流密度呈线性增长趋势，而腔内相对压力的增长率不断减小；液柱排出时间与气泡脱离时间均随过热度的增长而减小，但减小趋势不断变缓。与40℃的过热度相比，在过热度为50℃时，除热流密度保持线性增长外，其余指标变化甚微，腔内相对压力、液柱排出时间和气泡脱离时间仅分别变化0.3 k Pa、0.25 s和0.002 s。适当提高过热度可以促进沸腾换热，但提高到一定程度后继续提高过热度对沸腾换热的促进作用有限。