微型圆热管拉拔成形的受力及变形分析

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1、1绪论1.1引言随着电子科技的进步，许多电子产品不断地往高性能化、高功率化以及超薄、微型化发展,使得出现微电子芯片热流密度急剧增加而有效散热空间却日益狭小这一尖锐矛盾，导致芯片工作温度急剧增加，这将严重威胁到电子产品的安全与使用寿命。因此，对狭小空间内高热流密度电子设备的高效散热是亟需攻克的关键技术。目前，具有高导热率、良好等温性、快热响应、小尺寸而简单结构的微型热管已成为电子产品散热的理想导热元件。微型热管的传热性能主要取决于管内壁吸液芯结构，而沟槽吸液芯结构的微型热管则符合电子器件短小轻薄的发展方向。但其管内壁沟槽结构的加工是沟槽热管制造首要解决的问题，而传统的沟槽管犁

2、削或旋压成形法加工均受到刀具加工等条件限制而不能制造尺寸较小的微型沟槽管，尤其是对于Ф4mm以下的微型沟槽管若采用旋压直接成形将难以实现。因此，具有良好毛细吸液芯性能的微型沟槽管加工是制造微型沟槽热管时亟待解决的问题。1.2本文的主要研究内容与目的微型沟槽式圆热管具有很多的优点，用途极广。本文对微型圆热管的拉拔成形机理进行了研究，并基于实验研究和数值模拟方法，展开了微型热管拉拔成形的受力及变形分析研究工作。本文主要研究内容如下：1）微型沟槽式圆热管拉拔成形机理与拉拔成形研究。主要包括管材拉拔成形概述、管材拉拔成形模具设计、管材拉拔成形实验研究以及微型沟槽式圆热管拉拔成形研究

3、。2）微型圆热管拉拔成形的数值研究。主要包括有限元方法概述、微小型沟槽式圆热管拉拔成形有限元模拟。1.3国内外微型热管的应用现状与进展目前，国外微热管产品的核心技术(产品的设计和开发)只被美日少数企业所掌握。国内企业在微热管产品的关键技术上本身并不具备自行设计、研发及生产能力，只有少数几个台资企业为美日大企业进行代加工。由于美日企业量产成本及目标市场的策略考虑，台资企业近年才获得美日大企业的技术转移，通过消化这些技术并开始自主研发，才逐步拥有了微热管生产的一些关键技术。但国内其它企业对于高性能微热管技术的研究还处于起步阶段，没有自己的关键核心技术，离大规模化生产具有一定的差

4、距。1.3.1国外研究现状对于微热管研究，国外主要集中在管内蒸汽和液体流动的分析模型、数值模型以及微热管传热性能测试的研究。自1965年Cotter[1]提出热管的基本理论以来，其研究成果就逐渐成为热管研究基础，特别是Cotter[2]1984年提出了微热管的完整概念，许多科研人员对微热管内部蒸汽和液体流动规律及传热机理进行探索和研究。实际上，微热管性能受多方面因素的综合影响，如微热管材料、工作液体物性参数和吸液芯结构等等，其中液体蒸发过程和蒸汽冷凝过程都离不开吸液芯结构，且冷凝端液体只有依靠吸液芯的毛细作用才能从冷凝端回流到蒸发端，吸液芯结构在微热管的工作循环起着极其重要

5、的作用，因此直接影响到微热管的传热性能。许多研究人员对微热管的运行进行了理论和数值分析研究，但要获得整个微热管的运行分析解非常困难，因此建立了许多数值模型，其中一些复杂的数值模型既包括蒸汽流动也包括液体流动。Vafai和Wang[3]将液体流动、蒸汽流动、液－汽流动耦合效应、非达西输运等结合起来，研究了对称平面形状（包括圆盘形状和扁平形状）微热管的广义三维分析模型。Zhu和Vafai[4]将液－汽界面流动耦合和多孔吸液芯的非达西输运结合起来，建立了低温圆柱形微热管的二维分析模型，以预测蒸汽和液体的速度和压力分布。ValerieSartre等提出了预测微热管阵列传热的三维稳态

6、模型，建立了三个耦合模型：微区域的求解方程、二维壁的导热和纵向的毛细两相流。YuwenZhang等在微通道强迫对流冷凝条件下，使用VOF方法（流体体积法）数值模拟了水平微热管中和平行板之间由于冷凝引起的毛细阻塞现象。Z.JonZuo[5]建立了数值模型描述微热管蒸发器多孔吸液芯中液体和蒸汽流动，在各种热流条件下，对包括孔径分布、吸液芯渗透率和厚度的蒸发器设计参数进行计算，发现蒸汽体积率极度依赖孔径分布，这对确定蒸发器的热流极限是非常重要的。M.A.Hanlon和H.B.Ma[6]提出了一个二维模型预测烧结毛细结构的综合传热能力，模型考虑了吸液芯的热阻、毛细极限和最初核沸腾的

7、情况，其数值解表明仅在吸液芯表面发生的薄膜蒸发在蒸发强化传热中起着重要的作用，其最大过热量是粒子半径、吸液芯孔隙率、吸液芯结构厚度和有效热阻的函数，并且对于最大传热量存在一个最优化厚度。SungJinKim等研究了沟槽吸液芯微热管的传热传质数学模型，考虑了液-汽界面剪切应力、接触角和初始灌注量的影响，并从理论上求解了稳态条件下的最大传热率和总热阻。XiaoPingWu等建立了水平位置下圆柱形微热管蒸发段Le和冷凝段长度Lc之比的最优化模型和分析，对于微热管散热器常用的直径在4～6mm的微热管，计算分析结果表明最优长