纖維吸液芯平板微熱管理論分析與驗(yàn)證

纖維吸液芯平板微熱管理論分析與驗(yàn)證+沈英東+姚藝+劉健+祖曉東+韓天

摘 ?要：設(shè)計(jì)了一種纖維吸液芯結(jié)構(gòu)平板微熱管，利用纖維緊密排列間隙形成微型熱管工作流道。對(duì)該微熱管進(jìn)行了理論分析建模，建立了質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程等。對(duì)模型進(jìn)行了仿真運(yùn)算，對(duì)比了最大傳熱量與實(shí)測(cè)結(jié)果，從而得出纖維吸液芯微熱管的最大傳熱量。

關(guān)鍵詞：微熱管;纖維吸液芯;理論模型;最大傳熱量

中圖分類號(hào)：TK172 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.089

微型平板熱管就是一種按功能外形特征來命名的傳熱器件，其高導(dǎo)熱、低熱損失的優(yōu)點(diǎn)可以有效解決常見大型集成電路的熱量流失問題，對(duì)增強(qiáng)芯片的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用時(shí)間至關(guān)重要。當(dāng)微熱管的提法誕生之后，微型熱管得到了不斷的演變和發(fā)展，性能和特性都得到了充分的發(fā)展。與傳統(tǒng)的單根微熱管和微熱管陣列相比，平板式微熱管的優(yōu)勢(shì)更加明顯，主要體現(xiàn)在連通蒸汽腔更大、減緩對(duì)其的阻力和充分提升傳熱效率。

1 ?纖維吸液芯平板微熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纖維吸液芯平板微熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，就是通過圓柱形纖維緊密排列在纖維間隙所形成區(qū)域中的一種微型熱管，上下極板沒多大差別，唯一的差別在于上極板在槽體的結(jié)構(gòu)上多了四根小柱子，柱子的長(zhǎng)度稍大于1/2的槽體寬度。

纖維吸液芯平板微熱管的吸液芯是最核心的組成部分，由大量排列很密集的纖維結(jié)構(gòu)組成。這些大量密集組成的纖維會(huì)呈現(xiàn)出類三角形形狀的截面，截面的外形就如同三個(gè)球碰在一起所圍成的空隙區(qū)間。這種類三角形形狀的每個(gè)邊角很細(xì)，纖維結(jié)構(gòu)的多層排列促使液體的倒流區(qū)域和它有一樣的排列結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于不會(huì)因管子小這一缺點(diǎn)而影響倒流區(qū)域的面積和數(shù)量。

纖維吸液芯平板微熱管和普通的平板微熱管在工作原理上是一致的，管子的工作原理就是：先在吸熱端吸收大量的熱量，使介質(zhì)呈氣態(tài)狀，便于傳輸，然后氣態(tài)狀的介質(zhì)從吸熱端橫向傳輸?shù)嚼淠耍瑢鈶B(tài)狀的介質(zhì)冷凝成液態(tài)狀，最后液態(tài)狀的介質(zhì)又被送回到吸熱端，多次重復(fù)，具體循環(huán)過程如圖1所示。雖然原理和過程簡(jiǎn)單，和普通的沒什么兩樣，但是纖維吸液芯結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)的地方就在于：①類三角形形狀結(jié)構(gòu)邊角非常細(xì)。纖維結(jié)構(gòu)吸液芯形成的截面是類三角形狀的液體回流溝道，利于液體實(shí)現(xiàn)倒流，而且制造簡(jiǎn)單、成本低廉。②循環(huán)通道分離。纖維吸液芯平板微熱管工作時(shí)，氣態(tài)狀的介質(zhì)傳輸方向和液態(tài)狀的介質(zhì)回流方向在方向和區(qū)域空間上是分開的，從而避免了兩者對(duì)撞帶來的熱量損失和傳輸效率的減慢。③液態(tài)狀介質(zhì)回流通道多層排列。纖維結(jié)構(gòu)吸液芯可以使液態(tài)狀介質(zhì)的回流溝道呈多層排布結(jié)構(gòu)，既能滿足所需的傳輸效率，又沒有增加管子的體積，從側(cè)面降低了制造成本。

圖1 ?纖維吸液芯平板微熱管工作原理循環(huán)過程圖

2 ?仿真計(jì)算結(jié)果與分析

微熱管在正常條件下工作時(shí)，等溫性表現(xiàn)得非常好，基本不失真。但是超過熱量極限時(shí)，隨著熱量的增大，管子發(fā)生實(shí)效，呈現(xiàn)溫差非常大、明顯失真的現(xiàn)象。當(dāng)輸入熱量在3.5～4 W之間時(shí)，溫度變化突然加大，就可大致確定管子的最大傳熱量就在3.5～4 W這一范圍內(nèi)。通過建立的數(shù)學(xué)方程，代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，解答方程得出的結(jié)果是3.7 W，從圖像上反映的結(jié)果和建模解出的結(jié)果非常相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有纖維吸液芯結(jié)構(gòu)的平板微熱管，能夠改進(jìn)傳統(tǒng)微型熱管的結(jié)構(gòu)缺陷，利用纖維緊密排列所形成的尖角區(qū)域作為工質(zhì)回流通道，達(dá)到增大回流毛細(xì)力、提高傳熱能力的效果。針對(duì)這種結(jié)構(gòu)建立理論模型，對(duì)纖維吸液芯結(jié)構(gòu)平板微熱管進(jìn)行仿真分析，得到最大傳熱量為3.8 W，并對(duì)微熱管進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]李騰，劉靜.芯片冷卻技術(shù)的最新研究進(jìn)展及其評(píng)價(jià)[J].制冷學(xué)報(bào)，2004（3）：22-32.

[2]劉益才.電子芯片冷卻技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子器件，2006（1）：296-300.

〔編輯：王霞〕

Fiber Wick Micro Heat Management Theory Analysis and Verification

Shen Yingdong， Yao Yi， Liu Jian， Zu Xiaodong， Han Tian

Abstract： The design of a fiber wick structure of flat micro heat pipe， using fiber closely spaced gap formation of micro heat pipe working channel. The theoretical analysis and modeling of the micro heat pipe， established the quality equation， momentum equation and energy equation etc. The model simulation operation， compared with the maximum heat transfer with the measured results， thus obtains the fiber wick of micro heat pipe the maximum heat transfer.

Key words： heat pipe; fiber wick; theoretical model; maximum heat transfer

文章編號(hào)：2095-6835（2015）14-0090-02