文 献 综 述

1.研究概况

循环热管（lrb-LHPS-rrbs）主要用于电气元件和系统的冷却。所述循环热管是一种将热量从蒸发器转移到冷凝器的汽液相变装置。其中最重要的一个组成部分是多孔吸液芯结构。吸液芯结构提供毛细管力使工作流体循环。为了达到良好的热工性能，需要具有高渗透率、高孔隙率和良好孔隙半径的毛细管抽芯。这项工作的目的是从不同粒度的铜粉和镍粉中发展多孔结构。试验中使用了粒度为50和100微米的铜粉和粒度为10和25微米的镍粉分析了这些多孔结构及其设计。并测量了多孔结构对绝缘栅极双极晶体管(IGBT)热去除的影响。

2.研究介绍

电子元件的发展趋势是尺寸的小型化。它会导致废热增加。在冷却不足的情况下，这种热量常常导致电子元件性能下降和失效。为了保持适当的工作条件，必须清除废热。去除废热的一种可能性是使用循环热管。LHPS是一种两相传热装置，它利用流体的蒸发和凝结来去除热量，利用微孔中产生的毛细管力来使流体循环。LHP包括一个蒸发器，带有吸液芯，冷凝器，补偿室，液体和蒸汽线^[1]。只有蒸发器和补偿包含了抽水机；循环的其余部分是由光滑的壁管组成。蒸发器中的吸液芯是用细孔制造的，目的是使毛细管压力在循环中流动，而补偿室内的吸液芯是用较大的孔制造的，目的是管理流体入侵和出口。LHP的运行原理如下。 当加热到蒸发器时，液体被蒸发，在蒸发器吸液芯的蒸发蒸汽界面形成半月板，形成毛细管力，使蒸汽通过蒸汽线进入冷凝器。蒸汽在冷凝器中凝结，毛细管力继续将液体推

回蒸发器。来自热源的废热为工作流体的循环提供动力，不需要外部泵浦动力。两相补偿室储存过剩的液体，并控制循环运行温度^[1，2]。

为了使回路继续工作，蒸发器中的吸液芯必须形成毛细管压力以克服回路中的总压力下降。毛细管循环的优点之一是蒸发器吸液芯中的会自动调整曲率半径，从而产生的毛细管压力等于系统总压力降。系统中的总压降是蒸发器沟槽、蒸汽线、冷凝器、液线和蒸发器吸液芯中摩擦压力降的总和，加上重力引起的静压下降：

吸液芯可以使得毛细管压力升高是由

工作流体的表面张力是，在吸液芯中的半月板曲率半径是，在液体和吸液芯之间的接触角是。随着蒸发器的热负荷增加，系统中的质量流量和总压力下降也会增加。

通常情况下，升率测试需要观察干燥吸液芯在浸润液体时液面上升。由于这一面的精确位置很难检测，作者设计了一种方法，利用质量吸收而不是半圆面前来确定液在吸液芯中的上升速率。通过对半圆面的分析，建立了一系列的数学方程，可以通过数值计算来减少吸量，从而获得通透性和孔隙大小的结果。

热负荷的大部分用于吸液芯^[14]外表面的蒸发。其余的热量输入(称为”热漏”)是通过吸液芯进行热传导，并且与毛细管的有效导热率是成比例的。多孔吸液芯的导热系数较低，保证了吸液芯内表面对液体的导热系数较低，从而保持了整个LHP的运行温度和热阻。

3.LHP芯结构

为了达到良好的热性能，期望毛细管抽芯具有高渗透性、孔隙率和良好的孔隙半径。这些参数主要取决于制造过程。最常用的吸液芯是由烧结金属制成的，如镍、铜、钛、不锈钢或聚合物。

生产的吸液芯结构中烧结温度曲线的影响，吸液芯的主要参数是孔隙度、孔径和渗透性。不管孔的直径如何，烧结芯的最佳孔隙率在30%到75%之间。烧结材料孔隙度随温度或成形压力的降低而增大。最佳渗透率在M2之间。这些多孔材料的孔隙直径在1至20微米之间，但铜除外，铜的孔隙直径在20至100微米之间。

3.1.烧结结构的表达

根据上述LHP烧结结构的经验，我们决定用镍和铜粉来制作吸液芯结构。首先根据晶粒尺寸、烧结温度和烧结时间对几种烧结结构的孔隙度、孔隙大小和强度进行了分析。在电炉中，用粒度为50和100微米的铜粉和粒度为10和25微米的镍粉烧结而成的电磁铜粉末在温度800和950摄氏度下烧结，时间为30和90分钟，镍粉末在温度600摄氏度下烧结，时间为30和90分钟。

通过微观分析对铜粉烧结结构的研究表明，各种烧结结构的温度、时间、气孔大小、晶粒大小与气孔大小的比例是如何影响的。通过对烧结结构的显微分析，阐明了烧结结构的形状和形貌，得出影响孔隙大小的主要因素是晶粒大小、烧结温度、烧结时间等。

3.2孔隙度的测量

吸液芯结构的孔隙率描述材料中空隙空间的分数，其中空隙可能包含工作流体^[27]。对于孔隙度的测量，采用了重量法。首先，样品处于干燥状态。其次，样品在20摄氏度时被蒸馏水（g#183;cm-3）浸泡吸收水的重量是通过两个值之间的差异来估计的，然后再减去总孔隙体积和孔隙度。

当为吸液芯结构孔隙率时，M为多孔样品的重量，V为多孔样品的孔隙体积，为密度。

4.实验讨论

本实验是在对适合大体积高压的多孔结构进行科学研究的基础上进行的，并发现了IGBT产生的散热能力。本文首先介绍了目前国内外有关高性能材料的研究工作，并提出了适合多孔结构的材料规格。我们选择两种粒度的铜粉和镍粉。起初，由在不同温度和时间下烧结的每一种材料制成。结果表明，温度是影响吸液芯结构孔隙率的主要因素，孔隙大小取决于粉末晶粒大小对每一种材料，用一个吸液芯结构制造出具有最佳孔隙度和孔洞大小的结构，并在LHP中用于IGBT冷却。从LHP的IGBT冷却中获得的知识为我们提供了必要的信息，以了解LHP能够从热源中去除多少热流。这一信息将在未来用于与LHP一起工作的冷却设备的设计。在将来，我们想更深入的分析物理特性，如热传导和毛细管压力，对制造吸液芯结构和研究建筑设计，能够消除热通过自然对流对环境。

通过对烧结结构的显微分析，阐明了烧结结构的形状和形貌，得出影响孔隙大小的主要因素是晶粒大小、烧结温度、烧结时间等。通过对LHP冷却的输入功率与铜或镍芯结构对IGBT相关温度的测量比较，可以得出两种结构均具有相同的孔隙率，且对孔隙结构较大的IGBT的散热效果较好。通常最小的孔隙大小会导致烧结吸液芯结构中的毛细管压力较低，而整个系统的总压力较低。

参考文献

[1].T.kaya and J.ku,”thermal operational characteristics of a small-loop heat pipe”Journal of Thermophysics and Heat Transfer,vol.17,no.4,pp.464-470,2003[2].K.H.Cheung,T.T.Hoang,J.Ku,and T.Kaya,”Thermal performance and operational characteristics of loop heat pipe(NRLLHP)”,SAE Technical Paper no.981813,1998

[3].Y.F.Maydanik,”Loop heat pipes”,Applied Thermal Engineering ,vol.25,no.5-6,pp.635-657,2005.

[4].周海迎，平板式环路热管实验研究[D].南京；南京理工大学，2006.

[5].龙延，魏进家.不同倾角下平板型环路热管的实验研究[J].西安交通大学学报.2013,47(5)

[6].徐计元，邹勇.环路热管毛细结构的研究进展[J].中国电机工程学报.2013.33(8)

[7].张红星，林贵平，丁汀，等.环路热管温度波动现象的实验分析[J],中国科学E辑，2005,31（2）116-120

[8].李欢.双孔径毛细芯的研制及其在环路热管中的应用研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[9]王迅，毛欣欣，王磊，等，脉动热管的毛细管结构和尺寸效应实验研究[J].天津大学学报。2012.45（10）：870-874