基于纳米流体的微型环路热管设计与性能研究

论文摘要

本文针对高集成度微电子芯片热控问题设计了一种微型环路热管（LHP）散热系统，并提出以一种新型功能性流体—纳米流体为传热工质。重点研究了Cu-去离子水纳米流体和毛细芯结构对微型环路热管系统传热性能的影响。结果表明纳米流体能显著提高强化传热效果，并获得了最优吸液芯结构。主要研究内容有：（1）微型环路热管系统结构设计微型LHP系统由蒸发器、冷凝器、蒸汽管道、液体管道及液体工质构成，蒸汽管道和液体管道均采用透明PU管。将强化沸腾表面微结构和强化冷凝翅片结构应用于蒸发器和冷凝器中，以强化系统的蒸发和冷凝效率；选用多孔金属材料作为毛细芯结构。整个系统无外置的驱动部件，无需外界能量供给。（2）纳米流体的制备及其特性表征采用分散法自行制备了Cu-去离子水纳米流体，并对其在孔隙率为80%的铜纤维烧结毡和紫铜片表面的固液接触角进行了测试及分析。与去离子水相比，纳米流体与铜纤维烧结毡和紫铜片的固液接触角均明显降低，尤其是与80%铜纤维烧结毡的固液接触角将直接由疏水性转变为完全浸润。（3）微型环路热管系统性能测试及分析通过搭建微型LHP系统性能测试系统的平台，以纳米流体作为工质，对微型LHP系统的传热性能进行研究，将其结果与去离子水和无水乙醇的进行对比分析。并以不同质量浓度纳米流体的微型LHP传热性能为研究对象，发现存在一个最佳的纳米颗粒质量浓度。还对不同加热功率条件下质量浓度为1.5%的纳米流体的微型LHP的重启运行性能进行了研究。另外，对四种多孔铜毛细芯结构的微型LHP系统性能进行了对比研究，铜粉末烧结板表现出最佳传热性能。（4）探析纳米流体应用于环路热管的作用机理对纳米流体和去离子水进行沸腾蒸发实验，并对其回收液体的电导率和体积进行对比分析。发现在纳米流体的沸腾蒸发过程中纳米颗粒不会随着蒸汽进入冷凝管内，表明纳米流体主要对环路热管蒸发器内的沸腾传热性能产生影响；纳米流体沸腾蒸发产生的冷凝回收液体的体积比去离子水的高出30.4%，这说明在去离子水中加入纳米颗粒可以强化液体的沸腾传热特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 微型环路热管的国内外研究进展
• 1.2.1 环路热管的发展起源
• 1.2.2 微型环路热管的国外研究进展
• 1.2.3 微型环路热管的国内研究进展
• 1.3 纳米流体在热管中的应用研究
• 1.4 本文的研究目标和内容
• 1.4.1 本文的研究目标
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 微型环路热管系统结构设计
• 2.1 微型环路热管系统结构总体设计
• 2.2 蒸发器结构设计及其制造
• 2.2.1 蒸发器结构整体设计
• 2.2.2 强化沸腾表面微结构的成形
• 2.3 冷凝器结构设计及其制造
• 2.4 毛细芯的制造
• 2.4.1 铜纤维烧结毡的制造工艺
• 2.4.2 铜粉烧结板的制造工艺
• 2.5 微型环路热管系统理论分析
• 2.5.1 驱动力分析
• 2.5.2 热阻分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 纳米流体的制备及其特性
• 3.1 纳米流体的制备方法
• 3.1.1 分散法
• 3.1.2 气相沉积法
• 3.1.3 一步湿化学法
• 3.2 纳米流体悬浮稳定性的分析
• 3.2.1 作用力的分析
• 3.2.2 分散剂的作用机理
• 3.3 实验用纳米流体的制备
• 3.4 实验用纳米流体的固液接触角
• 3.4.1 固液接触角测试装置
• 3.4.2 固液接触角的测试及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 微型环路热管系统性能测试及分析
• 4.1 引言
• 4.2 研究的性能参数
• 4.3 微型环路热管系统性能测试平台的搭建
• 4.3.1 微型环路热管系统性能测试平台
• 4.3.2 微型环路热管系统参数
• 4.4 流体工质对微型环路热管性能的影响
• 4.4.1 纳米流体工质对微型 LHP 性能的影响
• 4.4.2 不同浓度的 Cu-去离子水纳米流体对微型 LHP 性能的影响
• 4.4.3 Cu-去离子水纳米流体对微型 LHP 重复启动性能的影响
• 4.5 不同毛细芯对微型环路热管系统性能的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 纳米流体应用于环路热管的机理探析
• 5.1 引言
• 5.2 作用机理分析的必要性
• 5.3 测试装置的设计与搭建
• 5.4 纳米流体沸腾传热特性的测试
• 5.4.1 电导率的测试
• 5.4.2 体积的测试
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件