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TUhjnbcbe - 2021/3/11 12:51:00
最近一直在看一些VaporChamber的文献,对VC有一些基础的了解,本文章主要介绍一下VC的基本工作原理、主要结构、仿真思路、及其自己的一些看法,观点。这篇文章只是对VC一个简单,粗略的介绍,更多的细节研究和制造、工艺等其他的介绍应该要在介绍二,三......,再写出来了(希望能一直研究下去吧)。

1.均热板原理简介

均热板(VaporChamber)可以看作一个平面热管,它可以在两个维度上传递热量。其原理是热源(Heat)表面的热流通过热传导传递到蒸发端(Evaporator),均热板内工质吸收潜热并蒸发,工质蒸气迅速充满整个腔体,运动到冷凝端(Condenser),释放潜热,冷凝成液体,冷凝液经由吸液芯,在毛细力的作用下扩散至整个冷凝表面,并最终通过重力和毛细压力的作用回到蒸发端,重新加入液体循环(LiquidReturn)。冷凝端的热流通过热传导传递到热沉上,并通过自然散热,强制对流(风冷或水冷)等方式将热量带走。

图1-均热板原理简介

2.均热板主要组成部分

外壳及腔体:考虑到传热效率,外壳一般采用导热系数较高的材料,如纯铜(~W?m-1?K-1)或铝合金(~W?m-1?K-1)。均热板内部为近似真空的腔体,工质可在较低温度下发生强度较高的相变。另外,充液管通常可作为外壳的一部分,材料与外壳相同(便于焊接),其主要作用是作为工质注入的管道入口。

毛细吸液芯:吸液芯材料通常采用与外壳材料相同的纯铜或铝合金,但其几何形状或形态各式各样,常见的有各种多孔介质(如铜粉烧结吸液芯、丝网烧结吸液芯、泡沫铜吸液芯)和微沟槽等。毛细吸液芯为工质提供流动通道,促进液体回流,保证均热板正常工作。

支撑柱:支撑柱材料与外壳材料相同。其主要作用是为均热板壳体提供支撑,防止因热应力或负压造成的变形或泄漏。

相变传热工质:常见的工质有去离子水、丙酮、乙醇等,其中又以去离子水最为常用,因为其在大多数工况下有更高的品质因数(Figureofmerit),有助于均热板性能的提高。另外,工质的充液率也对均热板的性能有着显著影响。

图2-均热板结构

3.均温板传热性能的影响因素

沸腾极限(BoilingLimitation),就是当均温板的蒸发端的热量增加时,其内部毛细芯结构与均温板壁面接触的液体达到临界饱和温度时会产生沸腾气泡。均温板中的工质相变包括表面蒸发和在吸液芯内部的沸腾。除高温的液态金属均温板外,一般的均温板两种情况均可能发生。若以池沸腾热传观点,临界池沸腾的气泡大小会达到脱离气泡半径值而难以离开传热表面的情况。但在均温板内,毛细结构阻碍了气泡脱离,表面传热与毛细芯结构间会产生蒸汽量,传热热阻会急剧增加,随之均温板表面的温度也会迅速升高,造成烧干(Dry-out),严重影响其传热效率。

携带极限(EntrainmentLimit)即在热管工作时,蒸汽与回流液体方流动方向相反。在汽液界面上的液体,会受到逆向蒸汽流剪切力的作用而产生波动。当蒸汽流的速度足够高时,此时在蒸汽界面处的蒸汽流所产生的剪切力大于毛细芯结构表面的张力时,可将波峰上产生的液滴刮起并由蒸汽携带至冷凝段,使冷凝液的回流量减少,造成蒸发端毛细芯干涸,循环终端,温度急剧上升。

毛细极限(WickingLimit)是一个比较重要的极限,它与均温板和热管的毛细芯结构息息相关。由于受冷凝的工作流体必须借由毛细芯结构物的表面张力,使液体回流至蒸发端,回流的速度取决于毛细力的大小。毛细所产生的压降,必须克服其他限制所产生的压降,也就是说,当蒸汽压力产生至一定值时,会使得毛细力无法继续提供液体回流的力量。因此,会使得均温板蒸发端因为没有充足的冷凝液补充而造成烧干现象,传热机制止,此时的状态又称为最大传热点,均温板达到最大传热量,称为毛细极限。

粘性极限(Viscositylimit)又称为蒸汽分压极限。当热管低温工作时,热管内蒸汽压力不是主导蒸汽流动的主因,而粘滞力所产生的驱动力使蒸汽无法往冷凝方向前进,到冷凝端时,往往其蒸汽压力会变为零。若在蒸气压较低的条件下启动,该压力只能用于克服蒸汽流动过程中粘性力引起的摩擦损失,使管内的蒸汽流速低于声速。这时,热管的传热量达到极限,成为粘性极限。

而音速极限(SonicLimit)是取决于热管内部蒸汽流动所产生的特性。当管内因传热增加所产生的蒸汽流速增加时,在绝热部分发生雷诺数临界因素的现象,也就是说在热管中间部分会产生最大蒸汽流速,此时管内压力产生瞬间压差,而产生缩喉(Chocking)现象,使得热传发生终止,因此最大蒸汽流速不超过一个音速,否则传热失效。

图3-传热极限图

4.仿真思路

为了简化VC内腔的两相流传热过程,可以做以下假设:

1.传热过程为稳态

2.毛细芯与蒸汽区工质流动流态为层流

3.蒸汽为饱和状态

4.不考虑重力因素影响

5.毛细芯为各向同性结构

6.均热板内部未发生“干烧”现象

7.气液两相的流动为不可压缩流动

如下图,有大佬总结了均热板传热流动方程策略,其核心思路就是先计算固体部分的温度场分布,气液界面的热通量分布。然后,通过UDF宏定义蒸汽区域的温度边界条件,气液界面的法向速度(速度入口)分布来模拟毛细芯的流动压降。最终,通过迭代计算便可以获得均热板的温度分布以及毛细芯/液体区和蒸汽区的速度和压力的分布情况。目前还没有彻底理解大佬的求解思路,这里UDF设置也是及其复杂的,我还需要更多时间来消化一下。

图4-求解均热板传热流动方程策略

如下图5,也有别的大佬直接做了微观的吸液芯液膜蒸发模型的仿真,其主要的

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