均温板散热装置传热性能的实验及数值模拟研究

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目前高端电子产品逐渐向更好、更轻便的方向发展,所以这对散热技术提出了更加严格的要求。电子产品的散热技术已经不仅仅局限于散热,还要对散热产生的声音等加以严格的控制。均温板作为一种应用于二维平面上散热的热管装置,采用气体--液体、液体--气体之间无限循环相变换热原理,确保达到更加优秀的散热效果以及均温效果。这样既可以解决传统散热装置散热有限的问题,同样减少其它能源的消耗,也能控制其正常工作时产生的噪音影响。在散热装置内部设置空腔并注入工作介质,空腔内部相连为统一整体,通过散热装置底部电子产品的产生的废热经过均温板的外壳传输到均温板的内壁使腔体内的液体状态的工作介质发生变化,形成一个无限循环的状态,很大程度加强散热装置的均温特性和散热性能。本文对该均温散热装置采用软件Workbench中Design Modeler进行了二位空间上的模型搭建,并进行数值模拟,得出规律。搭建了实验台对一款均温板进行实验分析研究以及对实验台通过Solid works专业绘图软件进行模型绘制,通过Fluent对建立的模型进行数值模拟分析。(1)采用Workbench中Design Modeler功能绘制了二位空间上的均温板的单元体,并用Workbench中meshing进行网格划分,并通过Fluent进行了简化的数值模拟研究。数值模拟中把单元体的长设定为固定值,不同单元体的宽(均温板的厚度)为变量进行对比分析。通过分析得出:在二维空间上,均温板单元体正常工作的情况下其腔体内部因气液相变原因会产生蒸汽环,呈漩涡状。随着均温板单元体的厚度增加,其腔体内部中间位置的流速越来越快,相应的漩涡状的蒸汽环也越来越快,这表明随着均温板厚度的增加,其散热效果会更加优越。同时,选用其中8mm×3mm尺寸的单元体进行了内部空腔压力的数值模拟,得出单元体内部气体工质的温度云图以及速度云图。模拟研究内部腔体的4种典型压力。通过分析得出:随着均温板内部压强的逐步增大,内部工作介质的流速也越来越快,同样可以说明均温板内部空腔压力的改变可以影响均温板的散热效果,随着压强的增大换热效果越强。(2)通过二维空间的模拟分析,选择一款尺寸相当的均温板作为研究对象,其内部具有铜柱均匀分布在均温板的内部腔体中,为整个均温板的正常运行以及防止形变起到非常有效的支撑作用,其中有一半的铜柱周围会布置烧结铜粉片作为吸液芯,同时均温板腔体内壁也同样布置一层相同材料的非常薄的吸液芯以便于均温板内部有强大的毛细力供流体运输。为了研究其传热特性搭建实验台,通过比对相同尺寸的纯铜板,对两个散热元件进行传热分析。实验中采用铸铝板模拟电子发热元件,通过调整直流电源的电压,让电源输出功率在1.6~21W/cm~2范围内改变加热散热元件的热流密度,分别测试了相同散热面积的均温板与纯铜板的散热效果。研究结果表明,当加热功率达到170W时,均温板蒸发面热源中心点处的温度接近356K,而相同条件下散热面积相同的纯铜板的中心温度达386K。通过与纯铜板传热性能对比分析表明,在加热条件相同的情况下,均温板的热阻阻值及其均温性均比相同尺寸纯铜板的表现优秀。(3)使用Solid works专业的绘图软件对应所搭建实验台建立了相应的模型,并通过商业软件Workbench中meshing进行网格划分对比,选择其中优质网格对建立的模型进行数值模拟分析。本文采用数值计算的方式将纯铜板和相同尺寸内部结构为铜柱作为支撑结构且50%铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯的均温板进行比对,对其进行数值模拟和理论分析。结果表明,1)内部具有铜柱作为支撑结构且50%铜柱套有烧结铜粉片作为吸液芯的均温板传热性能更加优良。这是由于烧结铜粉可以让冷凝端凝结的小液滴迅速回流到蒸发端,有效减少工质回流路径的同时大大缩短了液滴从蒸发端回流到冷凝端的时间以防止烧干现象产生;2)数值模拟分析对均温板的实验研究虽然存在差异,但是在一定程度上可以对实验研究起到很好的验证作用,在性能优化上带来指导意义,同时还能大大节省实验上耗费的时间和成本。
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