基于平板热管技术的电子器件热管理研究进展

随着电子器件不断趋于小型化和高度集成化发展,电子器件功率过高引发的散热问题亟待解决。平板热管由于具有均温性好、散热效率高等优势已为许多大功率电子元器件的散热问题提供了有效的热管理解决方案。但面对如今越来越多元化的散热需求,开发适应新型电子设备散热需求的高效平板热管仍是当前研究的热点。基于此,在对平板热管工作原理及结构特点进行阐述的基础上,对平板热管的传热性能、影响传热性能的因素(毛细芯结构、腔体厚度、工质、充液率、倾角和热源)、强化平板热管传热性能的措施(不同润湿性表面和支撑柱结构等)及其在小型化电子设备、IGBT晶体管、LED和电池组等电子器件散热应用等方面进行了系统性综述,指出研究不同毛细芯结构与腔体厚度下平板热管内部流动传热特性、散热性能强化的机制和综合优化方法,以及如何在不同电子器件热管理需求下设计出空间适应性强而散热性能高效的平板热管等仍是当前平板热管有待进一步突破的关键技术,将为平板热管在电子器件散热领域的进一步深入研究与优化提供一定参考。

平板热管式锂离子电池热管理系统仿真分析研究

锂离子电池是航空混合电推进系统的关键子系统,本文针对基于平板热管的航空锂离子电池热管理方案进行设计与性能评估。针对一款锂离子电池模组进行建模与验证,初步设计平板热管方案并进行仿真分析;在原方案基础上,对平板热管散热翅片进行结构优化设计并开展了实验验证,结果表明:优化后的方案可提高系统对流换热量。以优化后的平板热管为基础,结合航空器高空巡航工况的环境温度,平板热管换热性能将得到进一步提升:电池平均温度可降低10.6℃,降幅达18.83%。与水冷方案相比,平板热管优化方案散热能力与之相当,系统减重30%、能耗降低约63%。

基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆启动特性

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度约160℃,较传统低温电池具有更佳的电化学反应动力学、更简单的水热管理和更高的CO耐受性等优势。但运行温度提高,如何实现HT-PEMFC的快速预热启动成为制约其应用推广的重要挑战之一。当前工作中,针对一个额定功率为500W的HT-PEMFC电堆,尝试利用一种平板热管(FHP)对该电堆进行预热启动。设计搭建了实验装置,从预热时间、温度分布、传热量分布等方面对这一方法进行评估。实验结果表明,提高加热功率可以显著缩短预热时间,500W时预热耗时3000s,1500W时则仅需980s;但同时也造成温度均匀性出现恶化,500W时竖直方向最大温差约28℃,1500W时该温差则达到了80℃。此外,水平方向的温差也随加热功率的提高而增加,且越靠近热源的区域越明显,最高达15.7℃,这无疑会加速质子交换膜的机械失效。实际中,应在不过多影响电池运行寿命的前提下,提高加热功率以缩短启动时间。

质子交换膜燃料电池的平板热管传热性能

为探究平板热管在电堆中的传热性能,针对电堆中的传热条件设计平板热管的传热性能测试实验。结果表明:平板热管瞬态响应灵敏,响应时间在100—260 s之间;加热功率增加时平板热管的温差增加,等效热阻下降,5—15 W时处于启动阶段,40—50 W时等效热阻低于0.1℃/W,温差<5℃;冷却风速增加,平板热管的温差和等效热阻都有所上升;工作倾角对平板热管的性能影响显著,逆重力的工作条件将使平板热管的性能恶化,在50 W的加热功率、-90°工作倾角下平板热管的等效热阻约为90°时的3倍。

高寒地区平板热管式太阳能集热系统热性能研究

基于呼和浩特地区高寒气候条件,搭建两组完全一致的平板热管式太阳能集热系统,通过实验对比分析太阳辐射强度、传热工质流量、集热板表面积尘等因素对集热器瞬时集热效率以及系统热性能的影响。结果表明,在同等外界条件下,集热器的集热效率随着工质流量的增加而增大,集热效率与太阳辐射强度变化趋势相近,随积尘密度的增加,集热板表面积尘导致系统的得热量减少,集热性能下降。

基于TEC和平板热管的LED散热器结构优化设计

LED结温对其寿命和光效具有显著影响。高效的热管理对保持LED的性能稳定非常重要。为了有效降低LED结温、满足散热需求及特定场所的应用需求,结合热电冷却器(TEC)和平板热管(FPHP)重新设计了散热器结构,利用响应面法构建了针对散热器参数的双目标函数,通过非支配排序遗传算法(NSGA-II)求得Pareto最优解。基于散热器结构的最优值对TEC电流进行单因素优化分析,结果表明,优化后的LED最高结温比不采用TEC时的LED最高结温降低了23.3%,充分证明了优化散热器结构的有效性。

超薄平板热管传热性能的实验研究

随着电子器件的集成度逐渐提高,超薄平板热管作为一种适用于受限空间的高效散热器受到关注。本文对厚度为0.27mm的超薄平板热管进行传热性能的测试,以传热温差、传热量、热阻、等效传热系数作为指标,系统性地研究了加热功率、冷却方式及重力影响下的传热特性。研究发现,重力对超薄平板热管传热性能有轻微影响,竖直状态下的最大散热量较水平状态提高5%~10%,水平较竖直-逆重力状态提高2%~10%。冷却方式对其传热性能影响较大。在较低功率时,相比于自然冷却,强制冷却能使电子元器件在较低温度工作,但造成热管冷热端温差及热阻都比自然冷却条件下大,在超过一定功率(1.2W左右)后,温差及热阻急剧增大,等效传热系数减小,传热效果不佳。

亲水改性超薄平板热管传热性能

高性能电子器件的发展需要厚度更薄、传热性能更高的传热装置。热管依靠内部工质相变潜热来传递热量,具有热导率高、均温效果好等特点,广泛应用于电子器件的散热。本文制作了厚度为0.6mm的超薄平板热管,热管壳体内部和铜丝网均作亲水改性处理,丝网加工出蒸汽通道来实现气液共面以降低流动阻力。搭建热管性能测试平台,在自然对流冷却条件下研究去离子水、乙醇两种工质和不同充液率对超薄平板热管传热性能的影响。结果表明:经过化学改性改善了管壳和铜丝网对去离子水的浸润性,同时提高了铜丝网的毛细力,亲水改性后去离子水热管热导率相比改性前提升了19.53%;两种工质填充的热管的最佳充液率都是1.0,在控制蒸发段最高温度小于80℃的情况下允许输入的最大功率为6W;去离子水填充的热管表现出更好的热性能。

高功率平板热管传热性能的实验研究

为探究平板热管在高热通量和逆重力环境中的传热特性,设计并制作了一种具有泡沫金属结构的铜-水平板热管,系统地研究了不同放置方式、充液率和热功率对平板热管热响应特性和热阻的影响。实验结果表明:平板热管可实现快速启动,60 s内达到稳定,随着充液率增加,热管热阻先降低后升高,充液率为20%时性能最佳,放置方式对热管性能影响明显,顺重力性能最佳,在300 W时得到最小热阻为0.0109 K/W。相较于文献中的热管,此热管不仅获得了更低的热阻值,亦可实现更高热通量的有效导热。

非均匀加热工况高温平板热管的稳态性能研究

高温平板热管(热板)与板式燃料元件紧密贴合构成的堆芯具有结构紧凑、接触热阻小、可在多种工况下稳定运行的特征。为研究热板用于堆芯冷却的可行性,基于COMSOL软件建立了热板三维热-流-固耦合分析模型,与文献实验参考值比对,相对偏差在5%之内,证明了该模型方法的可行性和正确性;基于模型分析了一种干道式复合吸液芯结构的合理性,以及非均匀加热对平板热管稳态传热和力学性能的影响。研究表明,复合吸液芯通过改变液体回流路径,有效降低了流动阻力,使热板轴向高热流密度稳定传热;非均匀加热条件下,平板热管仍能保持良好的传热性能和均温性;非均匀加热会增大热板壳体的热应力,但不会超过材料的应力限值;平板热管满足堆芯冷却的基本需求。

三种微槽结构的平板热管的传热性能实验研究

对三种微槽平板热管的传热性能进行了实验研究,分析了充液率、工质的种类、槽道形状对微槽平板热管传热性能的影响。得到了深槽平板热管的最优充液率范围,证明了深槽平板热管具有更加优良的传热性能。

微槽平板热管传热性能的实验研究

系统地研究小充液率条件下重力对微槽平板热管传热性能的影响,分析了工作温度、冷却方式等影响因素.发现重力对热管径向液膜的分布影响比较小,而对轴向的影响比较明显,从而使得倾角较大地影响了热管的传热能力.进一步证明了深槽平板热管具有良好的传热性能.

重力对微槽平板热管传热性能的影响

系统地研究了重力对微槽平板热管传热性能的影响 ,分析了工作温度、冷却方式和倾角等影响因素。通过对比实验发现重力对热管的轴向液膜分布影响非常明显 ,在周向只在大充液率时有明显的影响 ,从而使得倾角较大地影响了热管的传热能力。研究表明深槽平板热管具有优良的传热性能 。

一种微槽群平板热管传热性能的数值和实验研究

提出了一种具有整体式微槽群吸液芯的新型平板热管。该新型平板热管具有散热效率高、机械强度高、制造工艺简单、重量轻、成本低等优点。建立预测平板热管传热传质特性的数学模型,获得了平板热管内蒸汽和液体的温度场、压力场以及速度场。对新型平板热管的传热性能进行实验研究,结果发现,新型微槽群平板热管的导热系数可达到其管壳材料导热系数的12.3倍,并且具有良好的均温特性。数值模拟的结果与实验测量结果吻合良好。

冷却电子芯片的平板热管散热器传热性能研究

通过采用均匀与非均匀热量分布的两种热源对平板热管散热器在冷却电子芯片中的传热性能进行了实验研究,了解其在不同热源加热条件下的传热特性。对比均匀加热条件的铜柱而言,硅质芯片作为热源可以更切实际地模拟计算机微处理器的热源边界条件。非均匀热量分布的芯片内部设置了3个受热区,其中热点的最大热流密度为690W/cm2。实验表明平板热管散热器工作过程中蒸发段的热传导和汽液两相之间的相变换热起重要作用。研究结果说明蒸发热阻在不均匀的加热条件下与均匀加热条件相比变化不明显,但与热源芯片的传热量成反比。

多芯片平板热管散热器性能的实验研究

设计了一种新型多芯片平板热管散热器,通过测试模拟芯片的表面温度,对散热器在不同空气流速、芯片数目及位置和加热功率下的散热性能进行了实验研究。测试结果表明:在环境温度为20℃、芯片表面温度控制在80℃的条件下,散热器水平使用时,单芯片、双芯片和三芯片的最大散热能力分别为310W,390W和500W;散热器竖直使用时,其最大散热能力分别为275W,408W,500W。由此得出,多芯片平板热管散热器的散热性能较单芯片散热器具有更大优势。实验结论与平板热管的热扩散效果吻合良好,而且符合现代电子器件散热的要求。

微小型多槽平板热管的流动和传热分析及实验研究

对热管内部的流动和传热传质过程建立模型,分析槽道中液体厚度和弯月面的轴向分布,液体和蒸汽的压力、汽 液界面弯月面半径的轴向变化、汽 液界面流动的相互作用以及管壁的轴向导热,通过计算得到热管的外壁面温度分布和传热性能.同时对一种微小型多槽道平板型铜 水热管进行了性能实验,理论计算和实验数据进行了比较,计算方法得到了实验验证.

微型多槽道平板热管传热特性分析及最大传热量预测

对三角形槽道的微型平板热管,进行流动、传热性能的理论分析和模拟.建立了微型平板热管的一维稳态模型,以分析工质在热管内的轴向分布,液体和蒸汽压力、流速的轴向变化,并计算其最大传热量.该模型更精确地考虑了具有互相连通蒸汽空间的平板热管,汽液界面剪切摩擦力对其传热性能影响,模型预测结果与实验数据取得较好的符合,能够更准确地预测微热管的最大传热量.该模型可用来帮助微型多槽道平板热管的结构设计.

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台,对不同充液率下热管性能进行了实验研究,并以最佳充液率的热管为研究对象,分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明:充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能,最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W,热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性,相较于功率增加,功率减少时热管性能更优,同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大,而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时,热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时,冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间,实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。

应用于LED散热一体化平板热管的传热性能

为解决LED散热问题,制作了一种一体化平板热管,搭建了平板热管实验台以研究此平板热管的传热性能,设计了模拟热源的保温方案.为了模拟LED芯片的发热,制作了模拟芯片热源,并对实验结果的不确定度进行分析.通过实验研究了加热功率、充液率和工质对平板热管传热性能的影响.实验结果表明:此平板热管具有良好的均温特性.在所测试的功率范围内,蒸发腔热阻随着功率的上升而降低.充液率方面,此平板热管的最佳充液率为40%.在测试的3种工质中,去离子水的传热效果最好.