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(xì)微槽群蒸發(fā)熱沉由于能依靠毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，并易于在微槽內(nèi)三相接觸線(xiàn)區(qū)域促進(jìn)擴(kuò)展彎月面薄液膜的形成，創(chuàng)造高強(qiáng)度的蒸發(fā)換熱條件，因而能夠被用來(lái)實(shí)現(xiàn)極高換熱系數(shù)和熱流密度的換熱過(guò)程。 本文旨在通過(guò)對(duì)豎直矩形毛細(xì)微槽群蒸發(fā)熱沉單元的實(shí)驗(yàn)與理論研究，揭示液體在豎直矩形毛細(xì)微槽中的潤(rùn)濕(干涸)、流動(dòng)和高強(qiáng)度相變換熱機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上，研究丌發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能微槽群相變散熱系統(tǒng)，滿(mǎn)足大功率激光

2、器、微電子器件以及高性能計(jì)算機(jī)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(chǎng)體視顯微鏡相結(jié)合的可視化觀察與測(cè)量技術(shù)，對(duì)微槽內(nèi)液體的潤(rùn)濕與干涸特性、蒸發(fā)與沸騰景象以及汽泡動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了觀測(cè)，并對(duì)微槽內(nèi)的液體的潤(rùn)濕和相變換熱特性及其影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：汽泡的動(dòng)力學(xué)行為對(duì)微槽內(nèi)的液體潤(rùn)濕高度和相變換熱能力有強(qiáng)化作用。豎直矩形毛細(xì)微槽中存在有兩種高強(qiáng)度的相變換熱機(jī)制。一種是較低熱負(fù)荷下的單一

3、的微槽內(nèi)三相接觸線(xiàn)附近薄液膜區(qū)域中薄液膜的高強(qiáng)度蒸發(fā)換熱機(jī)制(純蒸發(fā)模式)；另一種是高負(fù)荷下(槽內(nèi)有沸騰現(xiàn)象時(shí))的微槽內(nèi)三相接觸線(xiàn)附近薄液膜區(qū)域中的薄液膜高強(qiáng)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(jī)制。微槽群的幾何尺寸對(duì)微槽內(nèi)液體的潤(rùn)濕和相變換熱特性有顯著影響。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)豎直矩形毛細(xì)微槽中液體潤(rùn)濕特性進(jìn)行了理論研究。所提出的描述豎直矩形毛細(xì)微槽中液體潤(rùn)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(rùn)濕特性以及與相變換熱特性之間的相互影響。 在對(duì)豎直矩形毛細(xì)微槽群熱沉單元進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，本文研究開(kāi)發(fā)了高性能的自然冷卻式和強(qiáng)制水冷式兩種微槽群相變散熱系統(tǒng)，對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：工質(zhì)的充液率對(duì)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)變化的物理與數(shù)學(xué)模型，對(duì)散熱系統(tǒng)中的壓降與傳熱特性進(jìn)行了理論研究并對(duì)系統(tǒng)的最大散熱能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(dòng)環(huán)節(jié)的壓頭損失最大，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)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(qiáng)度的散熱能力。在保持發(fā)熱器件