文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123448
电场强化丝网结构蒸发器传热特性的实验研究
郭磊,刁彦华,刘岩,赵耀华,王瑞,汪顺
(北京工业大学建筑工程学院,北京市 100124)
(Tel: 010-67391608-802, Email: ******@bjut.)
摘要本文以R141b作为工质,×105 Pa的条件下,实验研究了施加电场对不同几何孔径烧结丝网结构换热表面蒸发/沸腾换热特性的影响。实验结果表明:电场对丝网结构换热表面的蒸发/沸腾换热有明显的强化效果,在相同热流密度条件下,强化系数随着电场强度的增加而增大,。不同丝网孔径尺寸的换热强化系数呈现出不同的变化趋势。
关键词电场;丝网结构;强化换热;蒸发/沸腾
0 前言
电子技术正在以小型化、集成化、高频率、高运算速度特点快速发展,电子元件所需散失的热流密度也不断增长,如目前计算机的CPU芯片运行中产生的热流密度已达到60-100W / cm2 ,半导体激光器需冷却热流密度已高达1000W /cm2 。将电子元件产生的高密度热量高效排散从而控制器件的运行温度,已成为电子技术发展中需解决的首要问题。通常使用的强制气冷散热已渐趋极限[1](<100 W / cm2),无法满足电子元件需冷却热流密度日益增高的要求,强制液冷散热方式虽有一定发展潜力,但作为单相工质传热,存在液态工质易于泄漏、结露、系统复杂、成本较高等不足。蒸发相变冷却方式可传递的最大热流密度达5000W /cm2[2],从原理上完全可以满足高热流密度的散热需求,热管、蒸发器等相变散热器具有体积小、结构紧凑、易于与电子元件集成化设计等优点,在微电子芯片、紧凑式变电器、微型机电系统(MEMS)、宇宙无重力(或微重力)空间环境电子器件散热等方面应用前景广阔,利用毛细芯内液体的蒸发吸热机理进行热量交换是一种有效的传热方式,在热管、蒸发器等传热元件中有着广泛应用,毛细力与工质流动阻力共同决定热管、蒸发器等传热元件内工质的流动过程,毛细力提供蒸发器运行的驱动力,毛细力与毛细芯孔径成反比,采用较小孔径的毛细芯可大幅提高毛细力;流动阻力与毛细力作用相反,流动阻力随毛细芯孔径的减小而增大,如何有效增加毛细力或降低工质流动阻力是毛细芯蒸发器优化设计的关键。采用由不同毛细孔径的毛细芯组合而成的复合毛细芯结构可显著降低了流动阻力,进而强化蒸发传热过程[3]。但当加热热流密度较高时,无论复合毛细芯结构还是单一结构毛细芯,由于气泡的产生和合并会造成其传热性能恶化。Williams等[4]对复合梯级毛细芯内蒸发传热过程进行的实验研究表明,由于热管管壁上产生的气泡不能得以及时脱离,长大后的气泡在管壁与液体之间形成气膜,使得传热热阻增加,且影响液体在毛细芯内的及时补充,导致复合梯级毛细芯的传热性能降低。Hanlon
等[5]对铜颗粒烧结多孔结构的蒸发传热现象进行了实验研究和理论分析,发现核态沸腾产生的气泡将弱化换热效果。可见,为了提高热管、蒸发器等传热元件内工质的蒸发传热性能,单纯依靠降低毛细孔径提高毛细力的方法会带来流动阻力的增加,而采用复合毛细芯结构降低流动阻力而获得的强化换热效果有限,尤其对于较高热流密度情况,需要在提高毛细力、降低流动阻力的同时,尽可能推迟气