梯度型吸液芯均热板的传热特性研究-苏州大学硕士论文

添加时间:2023年08月20日
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看这种毕业设计论文的好处就是,一篇论文基本上会把行业里面所有专家的有效研究从头到尾都总结一遍。

个人觉得这篇论文课学习的知识点还是不少,摘录一部分给大家参考参考。



学生姓名:卞乃浦  /  院校:苏州大学


摘要:

均热板具有体积小、传热能力强、均温性能好等优点,是微电子器件散热的理想选择。开发新型高效的均热板已成为高热流密度电子器件需要解决的关键技术问题。

而吸液芯作为影响均热板传热性能的核心部件,是研究均热板的首要关注对象。本文从均热板内部核心构件-吸液芯入手,设计并研制一种径向梯度孔径吸液芯,并搭建了的均热板性能测试平台和可视化实验平台。


首先,测试了不同吸液芯结构均热板的 传热特性,通过对比分析不同吸液芯结构均热板的传热特性,验证了本设计的可行性;
其次对梯度型吸液芯均热板的传热特性进行了深入研究;
最后开展了梯度型吸液芯均 热板的可视化实验,观测了梯度型吸液芯均热板在启动过程中及准稳定运行状态下的冷凝面温度分布变化及气液相变过程。

概括起来,本论文的主要工作和获得的主要结论如下:

1>设计加工了四种不同吸液芯结构(梯度型吸液芯、200 目均匀孔径吸液芯、 50 目均匀孔径吸液芯和无吸液芯)均热板,在相同工况下测试并比较了不同吸液芯 结构均热板的传热性能,均温性能和启动性能。
研究结果表明:与均匀吸液芯(50 目 和 200 目)和无吸液芯相比,梯度型吸液芯均热板具有最佳的启动性能、均温性能和 传热性能。
2>开展了梯度型吸液芯均热板传热特性实验研究,测试了不同偏心度、热源面积以及工作温度等工况条件对梯度型吸液芯均热板热阻的影响,同时还测试了其最大传热能力。
此外,测试了逆重力条件下梯度型吸液芯均热板的热阻及均温性。研究 结果表明:偏心度越小、热源面积越大、工作温度越低,梯度型吸液芯均热板传热性 能越好;与逆重力条件相比,梯度型吸液芯均热板在顺重力状态下运行性能更好;梯 度型吸液芯均热板在加热功率超过 400W 之后,蒸发面中心温度急剧升高,均热板均 温性显著下降,说明此时均热板传热性能出现明显恶化,已无法满足正常散热需求。
3>研制了梯度型吸液芯可视化均热板,并搭建了均热板相变传热的可视化实 验平台,利用高速 CCD(电荷耦合元件)摄像仪获得了冷凝过程中液滴的形成、生 长、移动及滴落过程,用红外热像仪获得了启动状态下蒸发冷凝过程中冷凝面温度分 布的变化情况。
研究结果表明:随着加热功率的提高,蒸汽产生速率增加,气液循环 速度提升,使得冷凝液滴的产生、生长、移动和滴落的过程加快;梯度型吸液芯均热 板内蒸汽定向流动使得蒸汽汇聚并形成一个大气泡,造成冷凝面局部高温。本文研究较为系统地揭示了梯度型吸液芯均热板的传热特性和均热板内工质蒸 发冷凝过程,相关研究成果将为梯度型吸液芯均热板的工程应用及性能优化提供数据 基础和技术支撑。 



关键词:均热板,梯度型吸液芯,传热特性,气液两相流。


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影响吸液芯性能的因素有许多,如:渗透率、毛细压差、比表面积、流动阻力、 浸润性等,但毛细压差和渗透率则是反映吸液芯性能的两个关键因素。吸液芯提供的毛细力是均热板内部工作液体循环的重要推动力,毛细力越大,工质回流速度越快,蒸发端越不易干涸,均热板传热极限越高;而吸液芯的渗透率则决定了冷凝液在吸液芯内的摩擦阻力损失,渗透率越大,工质流动阻力越小,摩擦阻力损失也越小。 

目前,吸液芯主要有三种结构形式,本分别是:丝网型吸液芯、烧结型吸液芯和沟槽型吸液芯。


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综上所述,丝网型吸液芯、沟槽型吸液芯和烧结型吸液芯因其结构单一,难以同时具备高毛细力和高渗透率。


为此,研究人员从结构优化、芯材选择和尺寸参数等方面对单一结构吸液芯进行优化:为提高丝网芯均热板的传热性能,提出了双孔丝网芯,将丝网芯烧结在均热板壁面上,或用支撑柱将丝网芯挤压在均热板壁面上,以及引入碳纳米管技术等方案;为提高沟槽型吸液芯的毛细性能,提出了优化沟槽尺寸参数,在沟槽肋壁上嵌入凹槽阵列,以及采用叶脉分形槽等方案;为提高烧结型吸液芯的渗透率,提出了双孔烧结芯,混合烧结芯,在烧结芯上加 工径向槽、平行槽,以及引入碳纳米管技术等方案。



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本论文从多孔吸液芯强化传热设计方面入手,提出了一种具有径向梯度孔径的梯 度型吸液芯,并设计加工了具有该种吸液芯结构的性能测试均热板和可视化均热板, 以及搭建了均热板性能测试实验台,对梯度型吸液芯、200 目均匀吸液芯、50 目均匀吸液芯和无吸液芯这四种不同吸液芯结构均热板的传热特性进行了实验研究,探讨了 不同吸液芯结构均热板的启动性能、均温性能和传热性能,分析了工作温度、热源面积以及热源位置等因素对梯度型吸液芯均热板传热性能的影响,考察了梯度型吸液芯均热板的逆重力性能和传热极限。


此外,为深入研究梯度型吸液芯的传热机理,本文还搭建了均热板可视化实验台,观察了梯度型吸液芯内汽液两相流体动力行为,揭示了梯度型吸液芯均热板热质输运机理。


获得的主要结论如下: 

1>研制了梯度型吸液芯、200 目均匀吸液芯、50 目均匀吸液芯和无吸液芯四 种不同吸液芯结构的性能测试均热板,并搭建了均热板性能测试实验台,对四种不同 吸液芯结构均热板的传热特性进行了实验研究,比较了不同吸液芯结构均热板的传热 特性。测试结果表明:梯度型吸液芯一方面由内向外径向递增的孔径,降低了蒸汽径 向流动阻力,有利于热量的铺展;另一方面由外向内逐级递增的毛细力,驱动液态工 质向中心热源处汇聚,及时补充蒸发的工质,将大量的热量搬运至冷凝面。因此,梯 度型吸液芯均热板具有最佳的启动性能、均温性能以及传热性能。


2>在不同工况下对于梯度型吸液芯均热板的传热特性进行了测试,分析了工 作温度、热源面积以热源位置等因素对梯度型吸液芯均热板传热性能的影响,获得了 不同工况参数对梯度型吸液芯均热板传热性能和均温性能的影响规律。结果表明:梯 度型吸液芯均热板的热阻随着工作温度的升高、热源面积的增大和偏心度的减小而减 小。此外,梯度型吸液芯均热板在逆重力状态下运行时,传热性能及均温性能均显著 下降,且梯度型吸液芯均热板在加热功率超过 400W 之后,蒸发面中心温度急剧升高, 均热板均温性显著下降,说明此时均热板传热性能出现明显恶化,已无法满足正常散 热需求。


3>研制了梯度型吸液芯和无吸液芯两种不同吸液芯结构的可视化均热板,并 搭建了均热板可视化实验台,对两种不同吸液芯加热均热板进行了可视化研究。研究 结果表明:随着加热功率的提高,蒸汽产生速率增加,气液循环速度提升,使得冷凝 液滴的产生、生长、移动和滴落的过程加快;梯度型吸液芯均热板内蒸汽定向流动使 得蒸汽汇聚并形成一个大气泡,造成冷凝面局部高温。本文研究较为系统地揭示了梯度型吸液芯均热板传热特性和汽液两相流动行为, 相关研究成果将为多孔吸液芯均热板的设计优化及工程应用提供理论指导和技术支 撑。 



主要创新点

本论文研究工作的主要特色在于:研制了梯度孔径吸液芯均热板,开展了梯度型 吸液芯均热板的传热特性测试和可视化观测,获得了梯度型吸液芯均热板的传热性能 与均温性能,并揭示了梯度型吸液芯均热板内气液两相流动特性及蒸发冷凝相变传热 机理。


概括起来,本论文的创新点有: 

1>吸液芯孔径尺寸径向梯度变化,可提升受限空间内气液两相循环效率,提 高均热板传热性能,拓展了均热板性能优化设计思路。 

2>揭示梯度型吸液芯结构对均热板内气液两相流动及蒸发冷凝相变过程的作 用机制,可为完善微小尺度气液相变流动与传热理论提供素材。


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