超薄热管启动特性和传热性能数值模拟

提出了一种简化的超薄热管三维瞬态模型,模拟热管由启动至稳定运行的过程,基于团队前期工作验证了模型的准确性,通过数值模拟研究了不同流道厚度、吸液芯类型及折弯段几何结构的热管,分析了各参数对蒸汽流动特性、温度分布特性及启动性能的影响,基于控制理论对不同结构热管的热响应特性进行了定量分析,最大均方根误差(RMSE)仅为0.385。研究表明:流道厚度过小将增大蒸汽流动阻力和能量损失,不同结构吸液芯主要通过蒸汽通道宽度差异影响蒸汽流动特性,流道厚度越小越易受折弯段折弯半径和折弯角度的影响。此外,流道厚度小于0.2 mm还将影响热管均温性,使气液循环受限,热管总热阻和启动时间主要受热负荷的影响。

基于机器视觉的不规则形状超薄热管宽度测量方法

为实现不规则形状超薄热管宽度测量自动化,提出一种基于机器视觉的中轴线梯度角逐像素宽度测量算法。首先采用Canny算法获取像素边缘,并进一步使用改进二次插值法提取亚像素边缘;然后利用细化算法提取边缘内封闭区域中轴线并适当裁剪;接着使用形态学膨胀与高斯滤波构造中轴线区域边缘,计算梯度角,并借助双侧均值滤波逼近真实梯度角的光滑变化;最后沿梯度角两侧搜索亚像素边缘点,边缘点对距离即为所测宽度。文中算法解决了常规测量算法无法确定不规则形变轮廓对应宽度测量点和高次过渡曲线区域无法测量的问题,实现了在轴线方向密集测量宽度,最大程度逼近真实边缘宽度分布。实验结果表明,测量对象宽度在10 mm以内时,文中算法的测量不确定度为±0.026 mm,能很好地适应超薄热管的不规则外形,实现稳定可靠、高精度的自动化测量。

汽液通道结构对超薄热管性能的影响分析

随着微电子技术和大数据产业的飞速发展,电子元器件的高性能化、微型化、高集成化已成为当下电子设备发展的主流趋势.电子芯片的高功率及小尺寸导致热流密度大幅增加,散热问题越发严峻.超薄热管是解决当前电子设备在狭小空间内高热流密度散热问题的理想方案,蒸汽通道与液体通道(吸液芯)的匹配对提升超薄热管传热性能有重要影响.根据复合丝网型超薄热管的几何结构建立三维对称数值模型,基于前期团队工作的实验结果验证了模型的准确性,对不同吸液芯高度的热管进行了数值模拟,重点分析了稳态工况下汽液通道比对超薄热管内汽液流动特性以及传热性能的影响.结果表明:在吸液芯高度一定时,汽液通道比越大,蒸汽最大速度以及压降均减小,且当汽液通道比在低于80%时变化更剧烈.此外,随着汽液通道比的增大,热管整体温度和热阻均呈现出先减小再增大的趋势.因此在不同的吸液芯高度下,均对应着一个最佳通道比使得热阻最小.当吸液芯高度分别为0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm时,最佳通道比分别为135%、93%、71%和63%,热阻分别为0.68 K/W、0.47 K/W、0.36 K/W以及0.30 K/W,热阻相比于最大热阻均减小了40%以上.汽液通道比对热管性能影响较大,因此选择合适的汽液通道比对超薄热管的结构设计优化有一定的参考价值.

超亲水/超疏水匹配超薄热管的传热特性

超薄热管(UTHP)是解决电子器件在狭小空间内散热问题的理想工具,构造纳米结构是提升超薄热管传热性能的重要方法。本文研制了1.30mm厚的新型超薄热管,用化学的方法对吸液芯和冷凝表面进行改性处理,以实现热管中超亲水与超疏水的匹配,通过实验分析了不同充液比工况下纳米结构以及倾角对热性能的影响。结果表明:纳米结构改变了吸液芯和冷凝表面的浸润性,超亲水吸液芯具有更强的吸水能力,超疏水冷凝表面的滴状冷凝机理促进了冷凝液体回流的效率;在小充液比时,吸液芯中的纳米结构促进了沸腾换热和冷凝液体回流速度,提高了热管的临界热流密度(CHF);在大充液比时,吸液芯中的纳米结构增大了蒸汽逸出和液体流动阻力,对热性能具有负面作用;超亲水吸液芯和超疏水冷凝表面匹配的样品冷凝热阻偏大,但在任何充液比工况下,均具有最佳的CHF;倾角对热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段正下方时热性能最佳。

超薄热管在电路板上的应用分析

为研究电路板上使用超薄热管对传热的影响,采用数值模拟方法对电路板上使用超薄热管的情况进行了分析,结果表明,采用超薄热管后发热元件温度有明显降低,此研究对电子器件热设计具有指导作用。

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。

超薄交替变径通道平板脉动热管的传热特性

采用印刷电路工艺,设计制作了厚度为1.00 mm的铜基平板脉动热管.宽度分别为1.00和2.20 mm的通道在平板脉动热管内交替排布,宽通道底部为刻蚀有平行微槽的阵列结构.以HFE-7100为工质,在充液率为30%~50%条件下,对有、无微槽结构的交替变径通道平板脉动热管的启动和传热性能开展比较研究.研究结果表明:平板脉动热管在水平和竖直放置时均可以正常启动,且实现稳定运行,引入微槽结构可以显著改善脉动热管的启动和传热性能,降低蒸发段温度,并增强其抗重力性能;在加热功率为24 W、充液率为30%条件下,超薄脉动热管分别呈水平和竖直放置时,其等效导热系数可分别达到1241和1226 W/(m·℃),比无微槽脉动热管分别提高25.6%和18.7%,能够较好满足部分芯片器件散热冷却的需要.

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。

超薄空间复杂边界条件下气体流动压降实验

随着超薄热管等元件进一步超薄化,蒸汽腔厚度减小导致蒸汽流动压降急剧增大,传热热阻增加,传输极限降低。搭建了超薄受限空间气体流动压降实验装置,开展空气流动实验,获得了不同通道高度(0.1~0.5 mm)、不同表面丝网孔径(0.036~0.104 mm)和不同流速(1~10 m/s)下的压降变化。结果表明:通道高度和流速对压降产生显著影响,而表面丝网孔径并不会;3个影响因素按显著程度依次为通道高度、流速、表面丝网孔径;随表面丝网孔径的减小,压降逐渐增大;随通道高度的减小,压降先缓慢增大,在减至0.3 mm后压降开始剧烈上升;随流速的增加,压降增大且近似呈正比例变化关系。最后基于实验数据修正了微通道层流情况下沿程阻力系数相关性预测关联式,以便更准确地预测气体压降。

超薄微热管的研究现状及发展趋势

快速增加的系统发热已经成为当代先进微电子芯片系统研发和应用中的一项重大技术挑战。热管以其高导热率、高冷却能力、高稳定性和长寿命等优点在高热流密度元件的散热技术领域得到广泛应用。但是,随着电子产品不断朝着高性能化与轻薄化的方向发展,传统圆柱型微热管或普通压扁型热管已难以应用于紧凑、轻薄型的电子设备散热,体积更小、质量更轻、厚度更薄的超薄微热管已成为目前热管技术的重要发展方向和研究热点。详细介绍了超薄微热管的类型及应用,重点综述了目前国内外关于超薄微热管在成形工艺及吸液芯结构等方面的研究进展情况,分析讨论了其在电子器件散热中的发展所存在的问题,并进行科学预测与展望。

丝网型超薄热管结构参数影响的实验探究

随着电子器件朝着高性能化、集成化与微型化方向的快速发展,狭小空间内高热流密度的散热问题亟待解决.超薄热管作为相变传热元件,具有超高导热率和器件结构紧凑等优点,因此被广泛应用于微型电子器件的散热中.不同的电子元器件具有各不相同的器件结构与散热需求,因此超薄热管在实际应用中也存在各种各样的器件结构.在本课题组对丝网型超薄热管中丝网吸液芯结构参数(目数、丝径)对其传热性能影响的研究基础上,为迎合实际应用中散热部件结构多样化的要求,本研究选取了对超薄热管传热强化效果最优的丝网结构作为吸液芯,通过实验手段,进一步探究了超薄热管的器件结构(包括长度、宽度和厚度等)对其传热性能的影响规律.结果表明,器件长度对超薄热管性能的影响存在一个相互矛盾的因素,故存在一个最佳的长度值使得热管具有最优的传热性能.此外,器件宽度和厚度的增加,都可以不同程度地提升热管的工作性能.最后,基于实验数据,建立了可有效预测超薄热管工作性能的经验关联式.对比超薄热管蒸发端温度的预测值与实验值,发现其相对误差可控制在±10%以内.

超薄平板热管的热阻与沸腾气泡可视化实验研究

鉴于无法观察到封闭热管内部气泡生长,设计制作了一种腔体厚度约为1 mm的双层丝网芯的超薄平板热管,进行了可视化的实验研究.实验结果表明:热阻值在1.2~1.7℃·W^-1之间波动,在15 W热负荷下的最佳充液率为25%左右.可视化结果表明:气泡主要在丝网交叉的缝隙中形成,在微液层中,气泡受到丝网的阻碍作用而呈现出形状不规则的生长状况.与开放空间相比,气泡无法沿腔体厚度方向扩张,以扁平气泡形状沿轴向生长.当热负荷增大时,会出现气泡破裂的冲击现象.

烧结多孔槽道吸液芯超薄平板热管的传热性能

设计并制作了总厚度为0.85 mm的超薄平板热管,热管的毛细芯采用烧结多孔槽道结构,实现了槽道和多孔结构的结合,根据该结构制作了一个铝制模具。该热管设计结合了超薄化和易制作的特点,对热管性能测试搭建了实验平台,分析了加热功率、铜粉粒径、槽道数目对热管热性能的影响,热阻和最大传热能力用来表征热管的性能。结果表明在加热功率为14 W时,放置铜板和热管的加热铜块温度分别是102℃和66℃,热管有效降低了热源温度;当铜粉粒径较大时热管的热阻和传热极限也较大,粒径减少时出现相反现象。相比单槽道结构,双槽道结构出现了更低热阻,两者最小差异为21%。

纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管(UTFHP),其内部吸液芯是多孔介质底层(PL)和多孔介质丝(PW)组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量(CHF)提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。

不同结构吸液芯的超薄平板热管传热性能研究

吸液芯结构对超薄平板热管的传热性能有很大影响.为对比不同结构吸液芯的超薄平板热管传热性能,研制了4种吸液芯的超薄平板热管并进行传热性能实验.结果发现:120~200目烧结芯超薄平板热管的热阻最低,在稳定工作时蒸发端温度最低,启动时间最短;在相近孔隙率下,烧结芯热管比丝网芯热管的传热性能好,粉末烧结结构比网状结构更利于改善毛细力和强化沸腾.

超薄微热管注液率和二次除气的实验探究

为了进一步优化注液率和二次除气工艺参数,提高超薄微热管的传热性能,研究把壁厚0.08mm,长度126mm的超薄微热管压扁成0.4mm,选取了丝网作为吸液芯结构,进一步探究了不同注液率和二次除气工艺参数对其传热性能的影响规律。结果表明:超薄微热管的最佳注液率、加热温度和加热时间分别是115%、160℃和20S,在最优参数下,实验热管的极限功率达到了4W。在不同注液率、加热时间和加热温度下,热阻都随加热功率的增大而增大,但是注液率的热阻变化幅值比其他两个大,其蒸发热阻由0.05℃/W增大至0.15℃/W,冷凝热阻由0.04℃/W增大至0.148℃/W;热管在极限加热功率下,其热阻会发生剧烈变化,此时热管蒸发端和冷凝端的温差最大。

具有纳米结构吸液芯的超薄平面热管传热特性

热管作为被动式的冷却装置,充分利用工质的相变潜热来实现热量传递,具有热导率高、热响应快、结构简单、无需外力驱动等优点,广泛应用于电子芯片散热。本文开发了一种厚度约为0.5 mm超薄平面热管,其吸液芯是双层泡沫铜结构,并通过氧化处理在其表面形成纳米结构。搭建了热管性能测试实验装置,对该平面热管的传热特性进行了实验测试,并研究了注水量对热管传热性能的影响。结果表明:所开发平面热管的等效热导率可达铜的5倍。

梯度结构修饰铜网的毛细特性

如何在有限空间内提高吸液芯的毛细力的同时降低气液流动阻力成为制备超薄热管的关键问题。丝网是一种常用的热管吸液芯结构,当其用于超薄热管时,因厚度较大及毛细力较小而受到限制。为解决这一问题,本文采用电化学沉积法对铜网进行梯度结构修饰。文章对三种不同规格的铜网进行试验,探究不同反应条件对形貌及毛细性能的影响。结果表明,随着反应时间及电流的增加,修饰结构梯度幅度增大,毛细性能增强。以乙醇为工质时,修饰后的最大吸液高度为62.5 mm。与多尺度复合烧结铜粉毛细芯结构相比,在相同的毛细性能条件下,梯度修饰丝网在厚度上减小了90%,从而为其在超薄热管中的使用奠定了基础。