高性能微槽群相變散熱系統(tǒng)的研究.pdf

1、作為一種新興的微通道相變換熱技術(shù)，毛細微槽群蒸發(fā)熱沉由于能依靠毛細力驅(qū)動液體流動，并易于在微槽內(nèi)三相接觸線區(qū)域促進擴展彎月面薄液膜的形成，創(chuàng)造高強度的蒸發(fā)換熱條件，因而能夠被用來實現(xiàn)極高換熱系數(shù)和熱流密度的換熱過程。 本文旨在通過對豎直矩形毛細微槽群蒸發(fā)熱沉單元的實驗與理論研究，揭示液體在豎直矩形毛細微槽中的潤濕(干涸)、流動和高強度相變換熱機理，并在此基礎(chǔ)上，研究丌發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能微槽群相變散熱系統(tǒng)，滿足大功率激光

2、器、微電子器件以及高性能計算機芯片的冷卻需求。 本文首先利用30∞O幀／秒的高速攝像儀、CCD和寬視場體視顯微鏡相結(jié)合的可視化觀察與測量技術(shù)，對微槽內(nèi)液體的潤濕與干涸特性、蒸發(fā)與沸騰景象以及汽泡動力學行為進行了觀測，并對微槽內(nèi)的液體的潤濕和相變換熱特性及其影響因素進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：汽泡的動力學行為對微槽內(nèi)的液體潤濕高度和相變換熱能力有強化作用。豎直矩形毛細微槽中存在有兩種高強度的相變換熱機制。一種是較低熱負荷下的單一

3、的微槽內(nèi)三相接觸線附近薄液膜區(qū)域中薄液膜的高強度蒸發(fā)換熱機制(純蒸發(fā)模式)；另一種是高負荷下(槽內(nèi)有沸騰現(xiàn)象時)的微槽內(nèi)三相接觸線附近薄液膜區(qū)域中的薄液膜高強度蒸發(fā)和厚液膜區(qū)域里的液體核態(tài)沸騰的聯(lián)合換熱機制。微槽群的幾何尺寸對微槽內(nèi)液體的潤濕和相變換熱特性有顯著影響。在實驗研究的基礎(chǔ)上，本文對豎直矩形毛細微槽中液體潤濕特性進行了理論研究。所提出的描述豎直矩形毛細微槽中液體潤濕特性的理論模型能較好地反映純蒸發(fā)與沸騰兩種情形下液體在微槽內(nèi)的

4、潤濕特性以及與相變換熱特性之間的相互影響。 在對豎直矩形毛細微槽群熱沉單元進行研究的基礎(chǔ)上，本文研究開發(fā)了高性能的自然冷卻式和強制水冷式兩種微槽群相變散熱系統(tǒng)，對其中的自然冷卻式微槽群相變散熱系統(tǒng)的熱阻、壓降以及傳熱特性進行了實驗和理論研究。實驗研究結(jié)果表明：工質(zhì)的充液率對系統(tǒng)的熱阻和傳熱特性有顯著影響。在較高的輸入加熱功率下，系統(tǒng)高強度的散熱能力的繼續(xù)提高將在很大程度上取決于冷凝器外壁面與外界環(huán)境之間熱阻的減小。在實驗研究的基

5、礎(chǔ)上，本文提出了描述系統(tǒng)散熱性能和各節(jié)點熱力學狀態(tài)參數(shù)變化的物理與數(shù)學模型，對散熱系統(tǒng)中的壓降與傳熱特性進行了理論研究并對系統(tǒng)的最大散熱能力進行了預測。理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較吻合。理論研究結(jié)果表明：系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽回路中的蒸汽流動環(huán)節(jié)的壓頭損失最大，是系統(tǒng)設(shè)計時必須首先考慮減小的壓降環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的最大散熱量與蒸汽回路的幾何尺寸以及熱量的輸運距離有著密切關(guān)系。 本文研發(fā)的自然冷卻式微槽群相變散熱系統(tǒng)有高強度的散熱能力。在保持發(fā)熱器件