基于纖維吸液芯結構平板微熱管的研究.pdf

1、隨著微電子制造技術的快速發(fā)展,超大規(guī)模集成電路的集成度越來越高,芯片的連線密度大,可用散熱面積小,使得芯片的功率密度急劇增加,芯片溫度顯著上升,嚴重影響其工作可靠性和使用壽命。微型熱管是利用密封在管內工質相變進行熱量傳輸的器件,具有體積小、重量輕、傳熱效率高、成本低、易于集成、無需外加動力等顯著優(yōu)點,能有效解決目前微小型器件和芯片的散熱問題,具有廣泛的應用前景。微熱管的發(fā)展經歷了由單根微熱管到微熱管陣列,再到平板微熱管的過程。平板微熱管

2、與微熱管陣列相比,能夠降低氣液界面摩擦力,提高傳熱性能,因此成為國內外研究熱點。
　　本文首先介紹了平板微熱管的工作原理和主要傳熱極限,在此基礎之上利用一維穩(wěn)態(tài)理論分析模型研究了限制槽道式平板微熱管性能提高的三點結構性問題:(1)氣液界面摩擦力問題;(2)工質回流溝道尖角區(qū)尖銳度問題;(3)單位面積上溝道數量問題。針對上述三個問題分別提出了相應的解決方案。根據結構改進方案,提出一種新型基于纖維吸液芯結構的平板微熱管。這種新型平板微

3、熱管采用纖維緊密排列形成工質回流吸液芯,在回流溝道中形成了兩圓相切時產生的極其尖銳的尖角區(qū)域;同時通過結構設計使氣液流動通道分離,降低氣液界面摩擦力;另外由于纖維可以多層排列,工質回流通道也可多層排列,增加了單位面積上工質回流通道的數量。鑒于上述優(yōu)點,這種纖維吸液芯結構平板微熱管解決了限制平板微熱管性能提高的三個結構性問題,使進一步提高平板微熱管性能成為可能。
　　由于微型平板熱管理論研究主要集中于槽道式平板微熱管的模型研究,不適

4、用于本文提出的纖維吸液芯結構平板微熱管。為此,針對這種新型結構,本文重新建立了相應的理論模型。模型不僅考慮了工質在纖維間的流道中的流動特性,還包含了纖維間的傳熱過程。針對纖維吸液芯結構,本文采用有限元分析法,將微熱管在微熱管軸向方向和微熱管橫截面上分別進行網格劃分,形成一個個微小有限元,在每個有限元上列出相應的控制方程。控制方程共有四類,分別為連續(xù)性方程、動量守恒方程、工質的相變方程和傳熱方程,將每個控制方程進行離散化處理,從而得到了模

5、型的控制方程組。在MATLAB環(huán)境中建立迭代程序對方程組進行迭代求解,可以得到每層流道中工質彎月面半徑的軸向分布、每層流道中液態(tài)工質壓強的分布、每層流道中工質的流速分布、每層流道中工質相變質量流的分布、以及管殼和各層纖維中心的溫度分布,根據微熱管兩端溫差與輸入熱量的關系得出微熱管的最大傳熱量。并利用實驗數據驗證了模型計算結果的準確性。
　　纖維吸液芯微熱管的結構材質、結構參數、工質的選擇等因素均會對微熱管傳熱能力產生較大影響。為使

6、這種纖維吸液芯平板微熱管在實際應用中工作在最佳狀態(tài)下,充分發(fā)揮纖維吸液芯結構的優(yōu)越性,本文利用所建立的理論模型對纖維吸液芯平板微熱管進行了結構優(yōu)化,即研究其結構參數與性能之間的關系。具體分析了工質的接觸角和氣化潛熱、吸液芯纖維的層數和直徑、絕熱段的長度三類結構參數對微熱管性能的影響規(guī)律,從而得出這種新型平板微熱管優(yōu)化設計的理論依據和優(yōu)化設計結果。
　　最后,本文建立了一套適用于纖維吸液芯結構MEMS工藝流程,實現了這種新型平板微熱

7、管,并搭建了測試系統(tǒng),對其進行性能實測研究。分別測試了微熱管在不同熱載荷下的溫度特性,根據熱管兩端溫差隨輸入熱量的變化得出其最大傳熱能力。將測試結果與理論計算結果進行比較,驗證了模型能夠準確計算微熱管的最大傳熱能力。然后通過實驗分別研究了工質、吸液芯纖維直徑及絕熱段長度對微熱管性能的影響。并將所測結果與理論模型對微熱管結構參數的分析結果進行比對,均取得了很好的一致性。至此,理論和實驗研究一致表明這種新型基于纖維吸液芯結構的平板微熱管能夠