实现电子器件散热的微小型平板LHP蒸发器传热特性研究

提出了微小型平板LHP来实现高热流密度电子器件的散热,分析了LHP的工作原理以及运用于电子器件散热的优点.建立了蒸发器多孔芯,金属壁面以及工质汽、液空间区域的耦合数学模型,并运用SIMPLE算法进行求解.数值结果表明,微小型平板LHP蒸发器具有较高热流的散热能力,加热表面的温度水平较低,均温性较好,有利于电子器件的散热.提出微小型平板LHP存在侧壁效应传热极限,由于该极限的存在,系统传热能力在17.5×104W·m-2左右.

铝基蒸汽腔在电子器件散热中的应用

文中针对高热流密度电子器件的散热,对铝基蒸汽腔的导热性能进行了实验研究。在不同的热流密度条件下,测试了电子器件和蒸汽腔的表面温度,并采用仿真反演法在FLUENT软件中求得铝基蒸汽腔的当量导热系数。结果表明,当电子器件的热流密度大于35 W/cm2时,铝基蒸汽腔的导热性能优于等尺寸的纯铜板,其当量导热系数最大可以达到470 W/(m·K)。另一方面,铝基蒸汽腔的等效密度仅为纯铝的60%。因此,相比传统的金属热扩展板,铝基蒸汽腔兼具高效导热性能和低密度两项优势,是一种新型实用的高热流密度电子器件散热手段。

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。

金刚石/铝复合材料的制备及其扩热可靠性研究

金刚石/铝复合材料具有高导热和低密度等优点,是理想的航天电子器件散热材料。然而,目前对影响金刚石/铝复合材料热导率的影响因素和可靠性研究仍有不足。采用放电等离子烧结法,综合考虑了烧结温度、保温时间和金刚石粒径组合的影响,制备了热导率为462 W/(m·K)的金刚石/铝复合材料。同时,验证了复合材料在高低温和振动环境中的扩热可靠性。结果表明,当热流密度为70 W/cm^(2)时,与铝合金扩热板相比,金刚石/铝复合材料将带动热源温度下降13℃,在高低温和振动环境中仍具有热物理性质稳定性和结构可靠性,有效提升了电子设备的总体散热能力,为航空航天电子器件的发展提供了一种稳定、可靠的散热方案。

平板型小型环路热管的温度波动特性

环路热管(LHP)是一种靠蒸发器内的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。本文研制了一套小型平板式蒸发器、风冷式冷凝器的环路热管(mLHP),mLHP的毛细芯为25μm不锈钢丝网,工质为甲醇。蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。研究了平板型mLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,实验结果表明,mLHP在1.5～4 W.cm-2的热通量范围内容易发生温度波动;还研究了倾角以及充灌量等对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释。

平板型环路热管温度波动现象研究

环路热管(loop heat pipe,LHP)是一种靠蒸发器内毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。研制了一套小型平板式蒸发器、风冷式冷凝器的环路热管(mLHP),mLHP的毛细芯为500目不锈钢丝网,工质为丙酮和甲醇。蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。着重研究了平板型mLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性。实验结果表明,平板式mLHP在某些热流密度区间容易发生温度波动;同时,重点研究了工质对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释。

导热凝胶在测井仪热管理中的应用

采用导热凝胶填充测井仪电路与骨架的间隙可以强化井下电子器件散热,但缺乏系统性的研究。应用仿真及实验手段对导热凝胶在测井仪热管理中的应用效果进行研究,并与常规测井仪进行对比。仿真结果表明,导热凝胶具有强化井下电子换热及显热蓄热的双重作用。实测结果显示热源最高温度从165.2℃下降至117.8℃,其与吸热体的温差从39.7℃下降至28.0℃,验证了导热凝胶的热管理效果。

带翅片的小型平板CPL蒸发器相变传热的数值模拟

提出一种小型平板毛细抽吸两相流体回路(CPL)系统来实现电子元器件散热,分析了其工作原理及特点。针对小型平板式CPL蒸发器的结构特点,分析了蒸发器侧壁导热所引起的侧壁效应对CPL传热能力的影响,提出小型平板CPL存在侧壁效应传热极限。为了提高系统的传热能力,蒸发器下壁增设了散热翅片。建立了小型平板CPL蒸发器毛细多孔芯的二维气液两相分层饱和多孔介质模型,金属壁面及工质气、液空间区域耦合的数学模型,并用SIMPLE算法对模型进行求解。数值研究表明,蒸发器受热面的温度水平较低,均温性较好。蒸发器采用翅片可以增加多孔芯内的温度梯度,使芯内温度分布更加合理;可以降低加热表面以及下壁温度,提高了侧壁效应传热极限,增强了系统的传热能力。

零切角曲面微热管传热性能的实验研究

提出一种新型的平板式零切角曲面微热管结构,并对其性能进行了详细的实验研究。研究了充液比、倾角和工质对微热管有效导热系数的影响。结果表明,甲醇在25％充液比时效果最好;丙酮较低功率时充液比20％的热性能较好, 较高功率时25％的充液比较好。倾角对传热性能有一定的影响。以甲醇为工质的微热管性能优于丙酮为工质时的性能。此外实验研究过程中还发现了微热管的温度脉动现象,并进行了理论分析。

压电泵驱动闭式水冷回路实验研究

设计了一种压电泵驱动闭式水冷回路传热系统,压电泵采用双腔串联结构,在150 V驱动电压下,泵水流量达330 mL/min。为了分析水蒸气对压电泵驱动闭式水冷回路传热性能影响,该文采用实验方法研究了不同充液率下压电泵驱动水冷回路的启动和稳态工作特点。实验结果表明,闭式回路内压电泵在充液率大于0.895时才能启动。当充液率大于0.930时,少量气相的存在对压电泵及传热系统的工作性能影响较小,系统传热热阻小于0.2℃/W。

均匀热源条件下类叶状微通道矩形热沉的构形设计

针对均匀背景热流条件下的散热问题,构建了类叶状微通道矩形热沉模型,基于构形理论,在给定热沉体积与液冷通道总体积的约束条件下,以热沉最高温度和压降最小化为目标,以微通道单元数、主通道与分支通道的夹角、主通道与分支通道的管径比为设计变量进行了优化设计。结果表明:通过增加微通道单元数、减小主通道与分支通道的夹角、采用较小的主通道与分支通道之管径比,可以降低热沉的最高温度,但是会增大压降损失。

氨工质平板式环路热管的传热性能研究

为了解决平板式蒸发器环路热管面对高集成电子元器件在较长传热距离下的散热能力不足等问题,本文采用更大面积的毛细芯和蒸发器,研制了一个传热距离达到1.6 m的氨-不锈钢环路热管系统并进行了大量实验。实验过程中,加热壁面温度控制在70℃以下。实验结果表明,在热沉温度为-10℃的情况下,该环路热管可以在2.5 W到180 W的热负荷范围内稳定运行,相应的热流密度是0.15 W/cm2和10.8 W/cm^(2)。蒸发器热阻的最小值为0.096℃/W,系统热阻的最小值为0.252℃/W。系统存在变热导率和定热导率两种工作特性,实验过程中没有观察到明显的温度过冲和温度波动现象。在启动测试和变热负荷测试中,系统均能够快速响应,展现出优良的可靠性。研究表明,与一般的平板式蒸发器环路热管相比,该系统更好地兼顾了传热距离和传热能力,拓展了平板式蒸发器的应用场景。

一体化陶瓷平板热管的自由成型与传热性能研究

为提高电子器件的散热效率,利用电机助推微注射器MAM(Motor Assisted Microsyringe)自由成型技术制备了带有矩形微槽的一体化Al2O3陶瓷平板微热管,并对其不同充液率、冷却条件下的传热性能进行测试。结果表明,在热流密度为5.3W/cm2条件下,陶瓷平板热管的传热性能良好。其中,稳态工作条件下,充液率为100%的热管蒸发端和冷凝端的温差仅有5.5℃,传热性能最好。与一般的平板热管相比,平板蒸汽腔工作时,最高温和温差均有所降低。

一种纵向供液式环路热管传热性能研究

为解决高热流电子元器件的小空间散热问题,本文研制了一种纵向供液式甲醇-铜环路热管系统,并搭建实验测试平台。对该系统在水平状态与重力辅助状态下进行了启动与变负荷性能测试。实验结果表明:加热壁面温度不超过100℃,水平状态下系统能在热负荷20~60 W成功启动运行,最大热流密度8.3 W/cm^2,最小热阻0.139℃/W。重力辅助状态下系统能在热负荷10~150 W成功启动运行,最大热流密度20.8 W/cm^2,最小热阻0.123℃/W。研究表明纵向供液结构可以极大减小环路热管系统厚度,但也带来了供液能力不足和漏热加剧的问题,对蒸发器结构进行优化设计可以提升纵向供液LHP系统性能。

微细通道换热器传热与阻力特性的实验研究

微细通道换热器在电子器件水冷散热领域有着广阔的应用前景,然而传统微细通道换热器采用钎焊工艺,焊接过程中所使用的钎料容易堵塞通道,本文采用扩散焊工艺制造了一款具有良好强度和完整性的微细通道换热器,不需要采用任何钎料。通过实验研究了该微细通道换热器的传热和阻力特性,分析了变工况条件下相关性能参数的变化趋势,最后获得了可以用于指导微细通道换热器设计的传热和阻力实验关联式。

圆柱发热体内圆截面液冷通道的构形优化

建立了一类在均匀产热的圆柱发热体中嵌入圆截面等温液冷通道的热源-热沉集成模型,基于构形理论,给定圆柱发热体截面积和通道截面积占比为约束条件,以液冷通道数及其半径为设计变量,研究了液冷通道分布对集成模型散热能力的影响,获得了不同液冷通道截面积占比下的最优构形。当通道截面积占比和通道数给定时,均存在最优的圆心距使得热源-热沉整体的散热性能最优,但对应两个指标的最优圆心距不同。给定通道截面积占比时,无量纲最高温度和无量纲当量热阻均随通道数的增加而降低;给定通道数时,无量纲最高温度和无量纲当量热阻均随通道截面积占比的增加而降低。本文所得研究结果可对圆柱器件高效冷却的热设计提供理论指导。

锯齿形振动风扇对热壁面对流换热效果的影响

建立电磁振动风扇热壁面散热模型,研究电磁振动风扇对恒热流壁面的对流换热效果。以矩形扇叶为基础,构造9种锯齿形扇叶,采用实验和数值模拟研究方法,研究不同扇叶的散热效果。结果表明,在研究范围内,锯齿数最多时的三边锯齿扇叶对恒热流壁面的散热效果最佳,与矩形扇叶相比,该锯齿型扇叶使壁面平均温度和最高温度分别下降3.3℃和5.2℃。数值模拟结果与实验结果吻合较好。流场分析结果表明,在锯齿的作用下,扇叶诱导产生的大尺度旋涡被打碎成小尺度旋涡,因此对流传热得到增强。

不同肋片结构的印刷电路板换热器传热与阻力特性

随着电子系统日益发展,高热流密度电子器件的冷却问题备受关注,微细通道液冷是一种广泛使用的高效冷却方式.印刷电路板换热器具有传热系数高、紧凑、高效等特点,有望成为微细通道热沉的备选方案.为此,本文对几种不同肋结构印刷电路板换热器的散热性能进行了评估,结果表明,非连续肋结构性能显著优于连续平直肋结构;改进翼型肋综合传热性能最佳,其次依次是翼型肋、椭圆肋、圆形肋和连续平直肋,改进翼型肋在高雷诺数条件下优势更加显著;相对于平直肋,改进翼型肋印刷电路板换热器Nu数提高了20.2%,阻力上升了5.6%.

压电泵驱动闭式水冷环路传热实验研究

设计并研制全金属双腔串联有阀压电泵,利用压电泵驱动水工质在闭式环路内循环稳定流动。水冷环路热端设计为微通道结构,微通道结构能显著增强液相工质流动过程中与壁面换热速率。在压电泵驱动下,工质在微通道热端吸热、冷端放热,实现热量从热端到冷端高效传递。搭建实验测试系统,研究压电泵工作性能以及压电泵驱动水冷环路传热性能。结果表明,压电泵在开放系统和闭式系统工作性能一致。压电泵驱动电压越大,回路内液相工质流动速度越快,传热速率越高,系统热阻越低。双腔串联压电泵在120 V驱动电压下,泵水流量达到167 mL/min,水冷环路热阻达到0.12℃/W。压电泵驱动闭式水冷环路具有热阻小、结构紧凑、能耗低、智能控制等优点,能更好地应用于大功率电子器件散热领域。

相变材料耦合热管传热性能分析

将不同的相变材料(PCM)与热管结合,在热管绝热段耦合不同相变材料,分析不同工况下热管各部分的温度。与普通热管对比,得出相变材料耦合热管的传热性能。根据不同工作温度下的降温效率,分析相变温度对散热系统的影响。结果表明,相变材料耦合热管可以有效地降低热管温度,在被动散热的情况下蒸发段降温幅度可达22%;在有风机散热的情况下,降温幅度可达7.9%。由于相变材料具备蓄热能力与控温能力,在一定条件下,相变材料的蓄热量可达热源输入功率的34.1%,能够有效节省风机能耗。相变材料耦合热管系统的温差下降幅度可达32%,系统运行过程中,温度变化更平稳,可将加热峰值的热负荷转移至其他时刻缓慢释放。