横向补偿平板型环路热管重力辅助下的传热性能研究

作     者：张晋晋 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴静怡

授予年度：2017年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：环路热管 平板蒸发器 横向补偿 启动特性 温度波动 

摘      要：随着人工智能等信息技术的快速革新,电子设备的高功率化、精密化对散热过程提出了更高的要求。如何实现对电子设备的高效热管理成为国内外的研究热点。相对于传统的单相对流散热方法,以环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)为代表的两相相变远距离换热技术受到了研究者的青睐。由于其传热能力强、传输距离长、传热热阻低、等温性好、无运动部件等优点,广泛应用于高热流密度电子设备的被动散热过程。本文为满足高度空间仅为30mm电子设备的散热需求,研制了一套含有双孔径毛细芯的铝-氨横向补偿平板型蒸发器,水冷式冷凝器位于蒸发器之上,以液氨作为工质的小型环路热管。该环路热管不仅不会出现传统结构中的“启动障碍,而且能够传输更高的热流。当重力压头不再满足传热和流动需求时,毛细压头随着功率的增加而增加,以平衡流动压降,最终毛细压头成为主导,进而达到更高效的传热。本文针对热源-1(70 W,15.22W/cm),热源-2,3(35 W,20.71 W/cm)的极限工况,在冷凝温度为60?C时实现了环路热管的稳定运行。环路热管的热阻曲线随功率增加趋于下降,20W之后在0.20?C/W附近变化。同时,当热源功率保持不变,不同冷凝温度在30°C0°C之间变化时,热源温度呈现线性变化,此时该环路热管的传热性能不发生明显变化。本文通过对该环路热管各部件间的流动与传热关系的分析,利用MATLAB模拟相应的实验过程。经对比发现,模拟计算值与实验值的误差在?5%以内。通过压降分析发现,当热源-1功率低于30 W,且热源-2,3功率低于15 W时,重力压头将平衡流动压降,表现为重力控制模式;反之,功率的增加将使得毛细压头进一步提升,表现为毛细力控制模式。这说明环路热管在重力辅助下运行时,其驱动方式在功率为30 W发生转变。本文通过对该环路热管变功率运行下的性能实验研究,结果表明由于毛细芯内气液两相组分的初始比例不同以及三个加热块热流密度不同,共同引起了较大的热泄漏,造成毛细芯局部“烧干,其热阻值从0.20?C/W增加到0.30?C/W,降低了环路热管的传热性能。综上所述,根据对该环路热管稳定运行、变工况运行的分析,在后续的结构优化中,应以储液腔内两相的百分比为主要目标,优化分析储液腔、热源和毛细芯的相对位置和尺寸。