吹胀式轴向平板热管的试验研究

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０１９.０９.０２２
吹胀式轴向平板热管的试验研究
陆风磊１ꎬ许㊀辉１ꎬ张㊀红１ꎬ２
(１.南京工业大学能源科学与工程学院ꎬ江苏南京㊀２１１８１６)
(２.南京林业大学校长办公室ꎬ江苏南京㊀２１００３７)
摘要:电子元器件的高度集成化对用于散热的热管提出了越来越苛刻的要求ꎮ设计了一种新型吹胀式轴向平板热管ꎬ在不同充液率㊁倾角㊁外部对流等条件下对其进行试验研究ꎮ结果表明:吹胀式轴向平板热管存在最佳充液率ꎬ为３５％ꎻ热管倾角对其传热性能具有重要影响ꎬ随着倾角的增大ꎬ热管传热性能逐渐提高ꎬ竖直放置时传热性能最好ꎬ水平放置时轴向温差最大ꎻ适当增大热管表面风速有助于提高热管的工作效率ꎬ对散热器整体性能的提升也有显著效果ꎮ关键词:吹胀式平板热管ꎻ传热性能ꎻ充液率ꎻ倾角
中图分类号:ＴＫ１７２.４㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０１９)０９－００９９－０５㊀㊀从２０世纪５０年代末至今ꎬ电子元器件的模块集成度几乎以每年４０％~５０％[１]的速率在增长ꎬ
使一些大功率元件的热流密度达到了２ˑ１０６Ｗ/ｍ２[２]ꎮ系统热量的快速堆积对电子芯片系统的研发与应用产生了巨大影响ꎬ当不断累积的热量使电子元器件温度超过其额定工作温度时ꎬ电子元器件的可靠性将会显著下降[３－４]ꎮ热管以其极高的导热率㊁良好的均温性能等ꎬ成为高热流密度元件有效的传热元件ꎬ通过热管散热是电子元器件在小空间㊁高功率情况下快速散热的有效方案[５－６]ꎮ
１㊀平板热管的研究概况
平板热管的结构并不复杂ꎬ但影响其传热性能的因素有不少ꎮ国内外的科研人员主要从理论㊁试验以及数值模拟３个方面进行了研究ꎮ刘一兵[７]建立了矩形截面微槽道平板热管模型ꎬ经迭代计算ꎬ得到了工质的质量流量㊁蒸气㊁液体压力等在槽道方向上的分布规律ꎮＳｕｈ等[８－９]在工况下通过对毛细㊁沸腾这两个极限的分析对比ꎬ得出热管在高温下工作时主要受毛细极限作用的结论ꎮ林振玄等[１０]利用铜丝作为平板热管的槽道ꎬ以不同充液率的乙醇－去离子水混合工质为研究对象ꎬ研究不同温度下丝径㊁丝间距㊁工质配比对传热性能的影响ꎮＫａｎｇ等[１１]在一个由３块铜片构成的平板热管内加入毛细芯片ꎬ发现充液率为８２％时平板热管具有最优的
传热性能ꎮ熊建国等[１２]将Ｈ２Ｏ ＣｕＯ纳米颗粒组成的混合工质加入重力平板热管ꎬ通过改变ＣｕＯ的浓度和运行压力来观察沸腾换热特性以及临界热通量的变化情况ꎮ陈慧雁[１３]通过Ｆｌｕｅｎｔ软件模拟得出热源的分布位置对热管的均温性能影响较大ꎬ将热源错开有利于热管拥有更好的均温性能ꎮ
目前ꎬ吹胀式结构主要应用于冰箱的蒸发器中ꎬ在平板热管上的运用还比较少ꎮ本文设计了一种吹胀式结构的轴向平板热管ꎬ并对其进行试验ꎬ这不仅是对热管技术应用研究的拓展ꎬ更是对提高电子器件散热技术的有益探索ꎬ相关成果也为平板热管的进一步发展及工程应用提供参考依据ꎮ
２㊀吹胀式轴向平板热管的开发设计
图１所示为本文提出的吹胀式轴向平板热管
(以下简称热管)ꎬ外形尺寸为１００ｍｍˑ２００ｍｍˑ
２ｍｍꎬ管壳由两片厚度均为０.５ｍｍ的铝板组成ꎬ两层铝板的四周和图中圆形位置处进行焊接处理ꎬ其余部分则有１ｍｍ的间距ꎬ形成热管内部腔体ꎮ这种结构虽然热管尺寸较大ꎬ但好处是热管两侧壁面的承压能力大大提高ꎬ不会因为承受正压或负压而产生严重变形ꎮ
考虑到工质与壳体材料的相容性ꎬ热管腔体内加入的工质为Ｒ１３４ａꎮＲ１３４ａ具有稳定性好㊁沸点低㊁对金属的腐蚀性小等优点ꎬ和Ｒ２２等传统制冷
收稿日期:２０１８－０４－２８
作者简介:陆风磊(１９９１ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为高效传热传质设备ꎬ１８７５２０９５９１８＠１６３.ｃｏｍ.通讯作者:许辉ꎬｘｕｈｕｉ＠ｎｊｔｅｃｈ.ｅｄｕ.ｃｎ.
９９ ２０１９年９月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｓｅｐ.２０１９第４８卷第９期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４８Ｎｏ.９
图１㊀吹胀式轴向平板热管
剂相比拥有更好的传热性能[１４]ꎮ
３㊀吹胀式轴向平板热管的试验研究
３.１㊀试验系统建立
图２和图３分别为试验系统的示意图和实物图ꎮ试验系统包括试验用吹胀式轴向平板热管㊁加热装置㊁数据采集装置㊁电脑㊁电源等ꎮ其中加热装置为铝制ＰＴＣ加热片ꎬ最大工作电压为２４Ｖꎬ干烧表面温度可达１１０ħꎬ其温度通过Ｋ型热电偶测定ꎬ由数据采集仪读取ꎬ精度为０.０１ħꎮ
图２㊀吹胀式轴向平板热管传热
性能测试试验系统示意图
图３㊀吹胀式轴向平板热管传热
性能测试试验系统实物图３.２㊀试验数据的测量
考虑到平板热管具有轴对称性ꎬ故只在平板热管的左半部分布置测点(测点１１稍稍偏右一点是为了方便热电偶的焊接)ꎬ如图１所示ꎮ在平板热管的底部与加热片贴合的地方布置３个热电偶ꎬ其编号分别为４ꎬ５ꎬ６号(热管底部的３个点与加热片上３个点的温度是分开测量的)ꎬ中间部分分布２个测点ꎬ其编号分别为１０ꎬ１１号ꎬ顶端布置２个测点ꎬ其编号分别为１３ꎬ１４号ꎬ在平板热管的中下段和中上段分别布置９号以及１２号２个测点ꎮ铝制ＰＴＣ加热片是试验中热量的来源(以下称热源)ꎬ为了测定加热片的温度ꎬ在加热片表面均匀地布置３个测温点ꎬ其编号分别为１ꎬ２ꎬ３号ꎬ如图４所示ꎮ另外还有１个热电偶未在图中标明ꎬ其编号为１５号ꎬ目的是用来测量环境温度Ｔａꎮ
图４㊀ＰＴＣ加热片上测点的分布
４㊀试验结果与分析
４.１㊀竖直状态下充液率对吹胀式平板热管的影响４.１.１㊀启动性能
图５~图７分别给出了不同充液率下㊁理论加热功率为１０Ｗ时平板热管的启动状况ꎮ选择了５个有代表性的测点(５ꎬ７ꎬ１０ꎬ１３ꎬ１５)ꎬ在充液率分别为２４％㊁３５％及４３％的情况下ꎬ记录这５个点的温度并进行分析ꎮ
图５㊀充液率２４％的启动性能
㊀㊀由图可知ꎬ在给定的加热功率下ꎬ吹胀式轴向平板热管的表面温度随着加热时间的增加不断上升ꎬ经过一段时间后ꎬ其表面温度基本不再变化ꎬ达到稳定状态ꎮ充液率为３５％的平板热管表面温度大约在８００ｓ时达到稳定状态ꎬ而充液率为２４％和
００１
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４３％的热管从启动到稳定状态所需的时间在１０００ｓ以上ꎮ由此可见ꎬ充液率为３５％时热管启动的速
度较快ꎬ达到稳定状态所需要的时间较少ꎮ
图６㊀充液率３５％的启动性能
图７㊀充液率４３％的启动性能
４.１.２㊀充液率对热源侧壁面平均温度的影响
由图８可以发现ꎬ热源侧壁面的温度随加热功率的增加上升明显ꎬ且在相同充液率下调节功率输出ꎬ其表面平均温度的增减幅度基本相等
ꎮ
图８㊀不同充液率下加热功率与热源侧壁面平均温度的关系
㊀㊀当充液率小于３５％时ꎬ相同加热功率的条件下ꎬ增加充液率会降低热源侧壁面的温度ꎬ说明低充液率情况下ꎬ管内工质越多ꎬ热管释放的热量也越多ꎮ当充液率大于３５％时ꎬ提高充液率反而会导致热源侧壁
面的平均温度上升ꎬ这是因为热管腔体空间是有限的ꎬ充液率太高抑制了平板热管的传热能力ꎮ
４.２㊀不同倾角对热管的影响
４.２.１㊀倾角对热源侧壁面平均温度的影响
图９所示ꎬ在输入功率相同的情况下ꎬ热管的倾角较小时(ɤ３０ʎ)ꎬ热管对热源的散热能力较差ꎻ当倾角为３０ʎ~６０ʎ时ꎬ热源侧壁面平均温度变化不是特别剧烈ꎬ但与小倾角情况下相比温度已经显著减小ꎬ热管的散热能力得到了一定的强化ꎻ当热管倾角为９０ʎ时ꎬ热源侧壁面温度最低ꎬ热管的散热能力得到进一步提升ꎮ这是由于管内工质的回流主要依靠重力作用ꎬ当倾角小于９０ʎ时ꎬ管内
工质回流时的作用力会减小为重力沿管壁轴向上的分力ꎮ因此ꎬ吹胀式轴向平板热管在竖直放置时其传热效果最理想ꎮ
图９㊀热管倾角与热源侧壁面温度的变化关系
４.２.２㊀热管表面轴向温度分布
选取热管底部和顶端的４个测点(７ꎬ８ꎬ１３ꎬ
１４)ꎬ其温度分别表示为Ｔ７ꎬＴ８ꎬＴ１３ꎬＴ１４ꎬ则热管轴向温差ΔＴ为:
ΔＴ＝
Ｔ１３＋Ｔ１４２－Ｔ７＋Ｔ８
２
(１)
如图１０所示ꎬ除了水平方向的倾角为０ʎ外ꎬ
图１０㊀不同倾角下轴向温度的温差变化
１０１ ２０１９年第９期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀陆风磊:吹胀式轴向平板热管的试验研究
随着热源功率的增加ꎬ热管的轴向温差先增加后减小ꎬ最后维持在１.２ħ左右ꎮ这是因为当管内工质处于自然对流时ꎬ热管的壁温与管内工质的过热度随热源功率的增加而增加ꎬ导致对应区域内壁温也相应增加ꎬ使轴向温差变大ꎻ但当热源功率增加到一定数值后ꎬ管内工质变成核态沸腾换热ꎬ此时过热度会显著减小ꎬ从而使热管轴向温差随之减小ꎻ当热管运行稳定后ꎬ温差维持在某个值附近ꎮ
４.２.３㊀不同倾角情况下热源功率与热管热阻的关系
如图１１所示ꎬ当热管处在水平状态时ꎬ随着热源功率的增加其热管热阻先缓慢降低后迅速上升ꎬ且上升幅度较大ꎮ因为在小功率条件下加热端工质相变后能及时回流ꎬ具有一定的传热效果ꎮ随着热源功率的不断提升ꎬ工质热流密度显著增加ꎬ底部蒸发段的工质迅速汽化ꎬ工质得不到及时补充ꎬ因此底部温度攀升较快ꎬ蒸发换热热阻增大ꎮ
图１１㊀不同倾角下热源功率与热管热阻的关系４.３㊀不同热源功率下风速对热管的影响
４.３.１㊀风速对部分测点温度的影响
图１２为加热功率为６Ｗ时外界风速对１３号测点温度的影响情况ꎮ受强对流的影响ꎬ风速越大ꎬ热管表面温度越低ꎮ因此ꎬ当外界有强对流时ꎬ
图１２㊀风速对１３号测点温度的影响热管能承受更大的加热功率ꎬ即可在更高热流密度下工作ꎮ
４.３.２㊀风速对热源侧壁面平均温度的影响如图１３所示ꎬ在不同风速下ꎬ热源功率与热源侧壁面温度基本成线性关系ꎮ在同样是１０Ｗ的加热功率条件下ꎬ风速为０.５ｍ/ｓ时热管侧壁面平均温度高达６１.０８ħꎬ而风速为２.０ｍ/ｓ时只有４９.５３ħꎬ温差超过１０ħꎮ因此ꎬ通过适当改变风速来增加热管表面的换热系数有助于提高其工作效率ꎬ对散热器整体性能的提升也有显著效果ꎮ
图１３㊀风速对热源侧壁面平均温度的影响
５㊀结论
本文设计的吹胀式轴向平板热管ꎬ经相关试验研究得出如下结论:
１)最佳充液率为３５％ꎬ此时热管的启动性能㊁散热能力最佳ꎮ
２)热管的倾角对其传热性能具有重要影响ꎬ随着倾角的增大ꎬ热管传热性能逐渐提高ꎬ竖直放置时传热性能最好ꎬ水平放置时轴向温差最大ꎮ３)适当改变风速可增加热管表面的换热系数ꎬ有助于提高热管的工作效率ꎬ对散热器整体性能的提升也有显著效果ꎮ
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Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｒｏｌｌ－ｂｏｎｄａｘｉａｌｆｌａｔｈｅａｔｐｉｐｅ
ＬｕＦｅｎｇｌｅｉ１ꎬＸｕＨｕｉ１ꎬＺｈａｎｇＨｏｎｇ１ꎬ２
(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＴｅｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１１８１６ꎬＣｈｉｎａ) (２.Ｈｅａｄｍａｓｔｅｒ'ｓＯｆｆｉｃｅｏｆＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１００３７ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｈｅａｔｐｉｐｅｓｈａｓａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｈｉｇｈｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｓｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｎｅｗｈｅａｔｐｉｐｅｏｆａｔｙｐｅｏｆｒｏｌｌ－ｂｏｎｄａｘｉａｌｆｌａｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｌｉｑｕｉｄｆｉｌｌｅｄｒａｔｉｏꎬｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅ￣ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｈｅａｔｐｉｐｅｈａｓｔｈｅｂｅｓｔｌｉｑｕｉｄｆｉｌｌｅｄｒａｔｉｏ(３５％)ꎬｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｈａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｆｌｕ￣ｅｎｃｅｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｘｉａｌｆｌａｔｈｅａｔｐｉｐｅꎬｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｎｇｌｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ.Ｉｔｏｂｔａｉｎｓｔｈｅｂｅｓｔａｎｇｌｅｉｓ９０ʎ.Ｗｈｅｎｔｈｅａｎｇｌｅｉｓ０ʎꎬｔｈｅａｘｉａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔ.Ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｖｏｌｕｍｅｏｆａｉｒｈｅｌｐｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｒｏｌｌ－ｂｏｎｄａｘｉａｌｆｌａｔａｎｄｈａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｉｎｋ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｒｏｌｌ－ｂｏｎｄｆｌａｔｈｅａｔｐｉｐｅꎻｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎻｌｉｑｕｉｄｆｉｌｌｅｄｒａｔｉｏꎻｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅ
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