重力热管和环路热管都是高效相变传热装置,它们利用装置内部的工质相变流动进行热量的传输,具有优异的导热性,良好的等温性等特性,此外,环路热管还具有传输距离远、抗重力等特性。本文针对电力设备及基站在自然对流条件下的散热需求,分别设计了自然冷却型的重力热管散热器和环路热管散热器,研究了该散热器应用于大功率设备散热时的性能。通过理论分析和实验研究,围绕散热器的散热能力强化研究、动力学和传热学特性的理论分析、数值模型研究、散热器的研制及实验研究等几方面内容,研究自然冷却型热管散热器的运行机理,探索其作为自然对流条件下大功率设备散热方案的可行性。主要工作包括以下几个方面:1.热管散热器的散热能力强化研究通过优化自然冷却型热管散热器的结构,可以有效强化散热器表面自然对流散热能力。本文阐述了散热器表面自然对流换热能力与结构尺寸的关系,研究叠层肋片结构表面自然对流散热能力强化方法,建立自然冷却型热管散热器传热及散热理论模型,分析肋片长度、高度、厚度以及肋片间距等不同因素对肋片表面自然对流换热系数、肋片效率、传热热阻等性能的影响,提出自然冷却型热管散热器的高效优化设计方法。2.自然冷却型重力热管散热器数值模型研究利用商业软件Fluent建立自然冷却型重力热管散热器三维数值模型,利用该模型进行瞬态计算,分析启动阶段蒸发板内部的相变流动传热过程,模拟结果表明:散热器能够成功启动且工质循环流动方向与设计的一致;此外还利用该模型进行稳态计算,分析影响散热器均温性能和散热性能的因素,包括充液率和加热功率等,结果表明:散热器在自然对流条件下能够利用相变传热针对大功率电力设备进行有效的均温散热且在充液率40%时得到最佳性能。数值模拟得到的结果可以指导散热器结构尺寸的优化设计。3.自然冷却型重力热管散热器实验研究针对大功率电力设备的散热需求,研制了自然冷却型重力热管散热器,蒸发板内部微槽道可以对相变换热进行强化,加强柱可以增加蒸发板的结构强度。实验研究了具有不同数目蒸发板和冷凝板的重力热管散热器应用于大功率电力设备散热时的性能。测试了蒸发板和冷凝板的工作温度,分析了散热器启动性能、温度分布、温差、热阻等变化规律,实验结果表明:散热器在合适的工况下具有良好的工作性能,完全能够满足大功率电力设备的散热需求,针对不同加热功率,最佳充液率也会有所不同。加热功率为3000W时,其蒸发板最大温差在合适的充液率下也可控制在8℃以内。此外,不同高度的蒸发板性能有所差异,下蒸发板的最高温度低于上蒸发板,而上蒸发板的温度均匀性优于下蒸发板。实验还分析比较了具有不同数目蒸发板及冷凝板的自然冷却型重力热管散热器性能的不同,揭示蒸发板和冷凝板与电力设备散热需求之间的相互匹配机制,结果表明:各散热器启动都需要一定过热度且对周围环境的突变表现出了很好的适应性。4.自然冷却型环路热管散热器数值模型研究在已建立的自然冷却型重力热管散热器理论模型基础上,建立了自然冷却型环路热管散热器的传热及散热模型,同时还建立了散热器内部的动力学模型,两者结合计算得到散热器稳态时的工作性能,计算结果表明加热功率、充液率及环境温度对散热器的传热及散热特性具有重要影响。本文还利用商业软件Fluent建立自然冷却型环路热管散热器三维数值模型,利用该模型进行稳态计算,通过数值模拟结果指导散热器结构尺寸的优化设计。此外,本文还对其核心部件毛细泵的三维数值模型进行了研究,分析了不同结构参数对毛细泵性能的影响及其内部的流动换热过程。5.自然冷却型环路热管散热器实验研究针对非均匀分布多器件的电子设备的散热需求,研制了自然冷却型环路热管散热器,主要包括毛细泵的加工以及蒸发板和冷凝板的加工。对散热器进行了实验测试研究,研究内容包括:不同功率及充液率下散热器的启动性能、均温性能、散热性能以及不同倾斜角度下的工作性能等,实验结果表明:散热器启动性能较好,冷凝板的温度响应要慢于蒸发板的温度响应,散热器达到稳定状态下的运行稳定性也很好,没有大的温度波动;同时实验结果还揭示了散热器工作性能随功率、充液率以及倾斜角度的变化规律,散热器在充液率大于30%时均温性能非常好,蒸发板最大温差保持在8℃以内。在除水平状态的其他倾斜角度下,散热器均温散热等工作性能都较为良好,可以应用于各角度下的设备散热。实验还通过高速摄像机记录散热器内部的工质相变流动行为,分析了内部工质在不同工况下的流动状态。研究表明自然冷却型热管散热器利用自然对流散热,可以满足应用场合低噪音、维修量小的需求,而由于相变的高热导率和高均温性,该散热器同样可以满足大功率设备在自然对流条件下的均温散热需求,且结构紧凑,相比传统自然对流散热器可以显著减小体积。针对不同应用场景,可以采用不同类型的自然冷却型热管散热器,展示了该散热器在大功率设备散热领域具有广阔的应用前景。