微小型热管的传热特性及蒸发薄液膜的研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文微小型热管的传热特性及蒸发薄液膜的研究姓名：张丽春申请学位级别：博士专业：工程热物理指导教师：葛新石;马同泽2003.5.1——．．皇里型堂堡查奎堂堕主堂垡笙壅!!!塑!堕亘壹微小型热管的传热特性及蒸发薄液膜的研究摘要微小空问的相变传热问题是随着电子器件，如电子计算机芯片的微小型化而提出的一个研究课题。由于利用工作介质巨大的相变潜热进行换热，获得的传热能力很强，相变传热过程在传统的工业领域和现代高新科技中得到了广泛应用。同时，相变过程中工质温度保持恒定，相变过程可以在小温差下发

2、生，这对于需要稳定的温度环境的场合有着重要意义。随着微电子微机械技术的发展成熟，很多利用相变过程进行散热的器件，如电子线路、大规模集成电路、空间设备、半导体器件等逐渐微小型化，同时它们工作时产生的热流密度大大增加，对散热元件提出了新的要求，如元件本身尺寸的微细化和传热能力的提高，以及元件的热响应性能的改善等。此时，散热元件中的相变过程将在微小空间中发生。微小型热管是利用工作介质在微小空间中的相变过程实现热量传递的一种高效传热元件，它的设计和优化能够解决上述微小电子器件的散热问题，为器件提供稳定的工作环境。

3、微小空间相变传热中的蒸发薄液膜，其局部换热系数比其他部分高2～3个数量级，并且出于总体换热面积的减小，薄液膜部分的相对重要性大大增加，它对整个系统的工作性能影响非常显著。本文对在给定的加热条件下，在光学表面上形成的稳定的蒸发薄液膜，测定了其厚度分布、液膜的蒸发传热量和固体基板的温度分布，由此分析了薄液膜的蒸发特性及其影响因素，实验工作对蒸发薄液膜换热特性的理论研究有指导意义。由于微小空间的蒸发薄液膜在汽一液界面进行传热传质的过程中，其界面形态容易因外界的动力学、热力学条件而出现不稳定现象，本文对处于重力场

4、中的微小空间内的加热表面上形成的蒸发薄液膜的稳定性特性进行理论研究。分析蒸发过程中液膜厚度随时间的变化规律，并以此判断其稳定性特性，以及影响界面稳定性的各种因素。．本文对具有不同材料、结构的微小型多槽道平板热管的传热特性进行了实验研究，得到其传热性能和启动特性：并分析热管真空度、工作倾角、冷却方式、热管充液率、槽道结构等多种因素对热管性能的影响；探讨热管最佳充液率范围和能提高热管性能的槽道结构，为热管的设计和改进提供依据。针对矩形槽道微T中国科学技术大学博士学位论文(2003)张丽春小型平板热管实验件内部

5、的流动和传热过程，本文首先建立了简化的轴向～维模型，分析等热流加热条件下热管的传热性能和传热能力；结合考虑热管管壁的轴向导热以及热管充液量和内部工质分布之间的匹配，得到液膜厚度和弯月面沿轴向的分布、液体和蒸汽压力以及汽一液界面弯月面半径沿轴向的变化；通过计算得到热管外壁面温度分布和热管的传热性能，计算结果与实验的符合较好。随后，利用薄液膜理论，在一维分析模型的基础上对热管槽道截面上的薄液膜进行研究，得到其厚度分布和传热特性。并在槽道截面上利用热传导方程和相关边界条件得到热管管壁和液体内部的温度场。计算结果

6、与实验数据进行了比较，所得结果比一维模型有一定程度的改善。因而不仅完善了以前的模型，而且可利用理论分析提供更多有用的信息。本文受到国家自然基金项目资助(资助号：59995550—4)。关键词：微小空间相变传热微小型热管蒸发薄液膜稳定性——一一!旦型堂垫查盔堂堕±堂垡笙塞!!!!!!!!盟壹FL』气TMINIATUREAXIALLYGROOVEDHEATPIPESANDTHEMICRoSCALEEVAPoRATIVETHINLIQUIDFILMS——ANEXPERIMENTALANDTHEoRETICALS

7、TUDYAbstractTheinvestigationonphase-changeheattransferinmicro—scalespacehasbeencarryingoutwiththedevelopmentofthemicro／miniatureelectronicdevices，suchasCPUandothersemi·conductorapparatus．Sincethephase—changeheattransferutilizesthelatentheatoftheworkingflu

8、ids，itsheattransferefficiencyisveryhighanditiswidelyusedinmanyindustrialandengineeringprocesses．Thephase—changeheattransferoccurswithsmalltemperaturegradientbecausethetemperatureofworkingfluidisconstantduringphase—c