基于纖維吸液芯結(jié)構(gòu)平板微熱管的研究.pdf

1、隨著微電子制造技術(shù)的快速發(fā)展,超大規(guī)模集成電路的集成度越來(lái)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(yán)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(nèi)工質(zhì)相變進(jìn)行熱量傳輸?shù)钠骷?具有體積小、重量輕、傳熱效率高、成本低、易于集成、無(wú)需外加動(dòng)力等顯著優(yōu)點(diǎn),能有效解決目前微小型器件和芯片的散熱問(wèn)題,具有廣泛的應(yīng)用前景。微熱管的發(fā)展經(jīng)歷了由單根微熱管到微熱管陣列,再到平板微熱管的過(guò)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(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。
　　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(chǔ)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(diǎn)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題:(1)氣液界面摩擦力問(wèn)題;(2)工質(zhì)回流溝道尖角區(qū)尖銳度問(wèn)題;(3)單位面積上溝道數(shù)量問(wèn)題。針對(duì)上述三個(gè)問(wèn)題分別提出了相應(yīng)的解決方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案,提出一種新型基于纖維吸液芯結(jié)構(gòu)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(zhì)回流吸液芯,在回流溝道中形成了兩圓相切時(shí)產(chǎn)生的極其尖銳的尖角區(qū)域;同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使氣液流動(dòng)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(zhì)回流通道也可多層排列,增加了單位面積上工質(zhì)回流通道的數(shù)量。鑒于上述優(yōu)點(diǎn),這種纖維吸液芯結(jié)構(gòu)平板微熱管解決了限制平板微熱管性能提高的三個(gè)結(jié)構(gòu)性問(wèn)題,使進(jìn)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(jié)構(gòu)平板微熱管。為此,針對(duì)這種新型結(jié)構(gòu),本文重新建立了相應(yīng)的理論模型。模型不僅考慮了工質(zhì)在纖維間的流道中的流動(dòng)特性,還包含了纖維間的傳熱過(guò)程。針對(duì)纖維吸液芯結(jié)構(gòu),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(jìn)行網(wǎng)格劃分,形成一個(gè)個(gè)微小有限元,在每個(gè)有限元上列出相應(yīng)的控制方程。控制方程共有四類,分別為連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、工質(zhì)的相變方程和傳熱方程,將每個(gè)控制方程進(jìn)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?qū)Ψ匠探M進(jìn)行迭代求解,可以得到每層流道中工質(zhì)彎月面半徑的軸向分布、每層流道中液態(tài)工質(zhì)壓強(qiáng)的分布、每層流道中工質(zhì)的流速分布、每層流道中工質(zhì)相變質(zhì)量流的分布、以及管殼和各層纖維中心的溫度分布,根據(jù)微熱管兩端溫差與輸入熱量的關(guān)系得出微熱管的最大傳熱量。并利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　纖維吸液芯微熱管的結(jié)構(gòu)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工質(zhì)的選擇等因素均會(huì)對(duì)微熱管傳熱能力產(chǎn)生較大影響。為使

6、這種纖維吸液芯平板微熱管在實(shí)際應(yīng)用中工作在最佳狀態(tài)下,充分發(fā)揮纖維吸液芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,本文利用所建立的理論模型對(duì)纖維吸液芯平板微熱管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,即研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的關(guān)系。具體分析了工質(zhì)的接觸角和氣化潛熱、吸液芯纖維的層數(shù)和直徑、絕熱段的長(zhǎng)度三類結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shè)計(jì)的理論依據(jù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
　　最后,本文建立了一套適用于纖維吸液芯結(jié)構(gòu)MEMS工藝流程,實(shí)現(xiàn)了這種新型平板微熱

7、管,并搭建了測(cè)試系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行性能實(shí)測(cè)研究。分別測(cè)試了微熱管在不同熱載荷下的溫度特性,根據(jù)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(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算微熱管的最大傳熱能力。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了工質(zhì)、吸液芯纖維直徑及絕熱段長(zhǎng)度對(duì)微熱管性能的影響。并將所測(cè)結(jié)果與理論模型對(duì)微熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì),均取得了很好的一致性。至此,理論和實(shí)驗(yàn)研究一致表明這種新型基于纖維吸液芯結(jié)構(gòu)的平板微熱管能夠