環(huán)路熱管多尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)制備及性能研究.pdf

1、電子設(shè)備的微型化、高集成化和高頻化對(duì)高效散熱技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，環(huán)路熱管作為一種高效被動(dòng)式相變傳熱裝置在電子冷卻領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力，但目前環(huán)路熱管的應(yīng)用還局限于航空航天領(lǐng)域，適用于地面電子設(shè)備散熱的環(huán)路熱管裝置尚處于進(jìn)一步完善階段，小型化、抗重力化、高散熱能力以及運(yùn)行可靠性等都是環(huán)路熱管所亟待解決的問(wèn)題。其中，毛細(xì)芯作為蒸發(fā)/沸騰的場(chǎng)所和循環(huán)動(dòng)力的來(lái)源，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到環(huán)路熱管性能的優(yōu)劣。
　　本論文提出構(gòu)建多尺度結(jié)構(gòu)

2、解決相變傳熱過(guò)程的各種沖突，如毛細(xì)壓力和蒸汽溢出阻力、毛細(xì)壓力和粘性阻力等，以強(qiáng)化蒸發(fā)、提升環(huán)路熱管的傳熱性能。從多尺度結(jié)構(gòu)的制備入手，研究了多尺度特征對(duì)毛細(xì)芯的熱物性、潤(rùn)濕性以及毛細(xì)性能的影響;結(jié)合環(huán)路熱管的循環(huán)特性，設(shè)計(jì)了新型的多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管，探索了多尺度結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理;進(jìn)一步地，對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到了不同結(jié)構(gòu)及外部參數(shù)對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響規(guī)律，極大提升了環(huán)路熱管的傳熱性能。主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:

3、>　　(1)多尺度結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易制備:采用簡(jiǎn)單的松裝固相燒結(jié)技術(shù)，探索了納米和微米多孔結(jié)構(gòu)的制備方法。研究了制備參數(shù)，如顆粒形狀和尺寸、造孔劑添加量等對(duì)燒結(jié)結(jié)構(gòu)的影響。由于納米銅粉松裝燒結(jié)技術(shù)的研究有限，重點(diǎn)對(duì)納米金屬粉末的燒結(jié)工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在燒結(jié)溫度600℃、升溫速率4.8℃/min、保溫時(shí)間30 min的燒結(jié)工藝下獲得了適于環(huán)路熱管毛細(xì)芯的多孔結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，為提高毛細(xì)壓力，利用熱氧化和化學(xué)氧化技術(shù)對(duì)燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米修飾，從而獲

4、得了兩類(lèi)多尺度結(jié)構(gòu):一類(lèi)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)含有納米孔隙和微米孔洞，且表面還存在納米微結(jié)構(gòu);另一類(lèi)是結(jié)構(gòu)體內(nèi)的兩種孔穴尺度分別為幾個(gè)微米和上百微米，表面同樣存在納米微結(jié)構(gòu)。并對(duì)多尺度結(jié)構(gòu)的微觀形貌以及物性參數(shù)等進(jìn)行了表征，明確了不同尺度特征對(duì)各物性參數(shù)的影響規(guī)律。這種多尺度結(jié)構(gòu)制備方法和思路不僅適用于環(huán)路熱管毛細(xì)芯，也為強(qiáng)化傳熱表面的設(shè)計(jì)提供參考。
　　(2)多尺度結(jié)構(gòu)界面現(xiàn)象研究:利用液滴沉積實(shí)驗(yàn)研究了液滴在多尺度結(jié)構(gòu)表面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕過(guò)程，

5、發(fā)現(xiàn)了兩類(lèi)小液滴發(fā)射現(xiàn)象，在多孔表面尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道，并表明擴(kuò)散、滲透以及毛細(xì)波之間的競(jìng)爭(zhēng)是小液滴發(fā)射的主導(dǎo)作用機(jī)制。識(shí)別了三相接觸線的早期慣性移動(dòng)規(guī)律(Dt/D0=C(t/τ)α)，并得到了不同尺度特征對(duì)慣性擴(kuò)散及滲透的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)還表明表面粗糙度能夠增強(qiáng)潤(rùn)濕性，強(qiáng)化流體擴(kuò)散，但多孔結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕性表現(xiàn)在擴(kuò)散和滲透兩個(gè)方面。對(duì)于納米孔隙結(jié)構(gòu)，提高表面粗糙度會(huì)帶來(lái)滲透能力的嚴(yán)重下降;而微米孔隙結(jié)構(gòu)，粗糙度對(duì)滲透性能的影響不大。這些結(jié)論為環(huán)

6、路熱管毛細(xì)芯的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。毛細(xì)爬升同樣是界面現(xiàn)象的一種，本文利用紅外技術(shù)研究制備參數(shù)對(duì)毛細(xì)爬升性能的影響，并表明微米孔隙結(jié)構(gòu)具有更好的毛細(xì)爬升能力，且顆粒直徑與造孔劑之間存在最佳匹配關(guān)系。
　　(3)多尺度復(fù)合毛細(xì)芯在環(huán)路熱管中的應(yīng)用:結(jié)合環(huán)路熱管的具體特點(diǎn)和上述研究得到的規(guī)律，創(chuàng)新蒸發(fā)器和毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取消傳統(tǒng)平板環(huán)路熱管中機(jī)械加工的微通道，將調(diào)制結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯應(yīng)用于小型平板式環(huán)路熱管，整個(gè)毛細(xì)芯具有多尺度特征:小孔（～μm尺

7、度）、大孔（～100μm尺度）、大蒸汽通道(～mm尺度)。在環(huán)路熱管的最不利運(yùn)行角度，即反重力方向下與常規(guī)結(jié)構(gòu)環(huán)路熱管進(jìn)行了傳熱性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在同等輸入功率下，新型環(huán)路熱管(MBE)比傳統(tǒng)環(huán)路熱管(MWE)的溫度降低20℃以上，且熱流密度提高約3倍。并探明了多尺度復(fù)合毛細(xì)芯強(qiáng)化環(huán)路熱管傳熱的機(jī)理:大小不同的孔隙尺度有效解決毛細(xì)壓力與蒸汽溢出阻力、流動(dòng)阻力之間的沖突;取消機(jī)械加工的微通道，蒸發(fā)可直接發(fā)生于底板表面的毛細(xì)芯內(nèi)，縮短了

8、熱傳遞路徑;蒸發(fā)主要發(fā)生于近壁面?zhèn)鹊氖讓用?xì)芯內(nèi)，而第二層毛細(xì)芯主要起流體供應(yīng)的作用，汽液界面遠(yuǎn)離補(bǔ)償腔，有利于熱流密度提高和熱泄露的擬制;復(fù)合結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯有效解決了強(qiáng)化蒸發(fā)和擬制熱泄露對(duì)毛細(xì)芯導(dǎo)熱系數(shù)需求不同的沖突。
　　(4)多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化:系統(tǒng)開(kāi)展了環(huán)路熱管的多參數(shù)研究工作，采用不同顆粒直徑的銅粉燒結(jié)制備了多個(gè)不同結(jié)構(gòu)尺寸的毛細(xì)芯，并研究了結(jié)構(gòu)及外部參數(shù)等對(duì)環(huán)路熱管瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)傳熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明，

9、蒸汽槽道的脊背寬度w、槽道寬度p及高度h之間同樣存在協(xié)同性關(guān)系，槽道過(guò)寬則使蒸發(fā)面積減小，反之則增大蒸汽溢出阻力。本文的研究中，最佳的匹配為h=1.5 mm，p=1.5 mm，w=3 mm。實(shí)驗(yàn)還識(shí)別了新型環(huán)路熱管的主導(dǎo)傳熱機(jī)制，即低熱流密度下為核態(tài)沸騰傳熱，而高熱流密度下為薄液膜蒸發(fā)傳熱。此外，充液率、顆粒直徑、運(yùn)行角度都對(duì)環(huán)路熱管的啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)性能有重要影響。本文的最佳優(yōu)化工況下，環(huán)路熱管在反重力方向運(yùn)行時(shí)，熱流密度可達(dá)40 W/cm