單面波浪平板脈動熱管的傳熱性能

夏侯國偉 孔方明,2 謝明付

(1 長沙理工大學能源與動力工程學院 長沙 410076；2中國人民解放軍92002部隊 汕頭 515000)

脈動熱管是一種新型高效熱管，最早由日本人Akachi于20世紀90年代提出[1]，具有結構簡單、傳熱性能好、適應性強等優點[2]，目前是國內外學者研究的熱點。由于脈動熱管的運行機理尚不清晰，所以當前大多通過實驗的方法進行研究，主要分析管徑[3-5]、充液率[5-9]、傾角[10-11]、工質[12-13]等對其傳熱性能的影響。傳統的脈動熱管為圓管式，是由一根金屬毛細管彎曲成蛇形結構。平板脈動熱管由于其熱端是平面，因此可以直接或加工成散熱器應用于電子元件的散熱[14-17]。相關文獻研究表明，與管式脈動熱管相比，平板脈動熱管有其自身的運行特點。Khandekar等[18]研究發現，矩形通道脈動熱管的運行性能好于圓形槽道或圓管；周巖等[19]研究發現正三角形截面脈動熱管的熱阻值低于正方形截面脈動熱管，管徑較大的脈動熱管的熱阻值低于小管徑熱阻值；楊洪海等[20]研究發現，方槽板式脈動熱管存在尖角的毛細吸附力以及相鄰槽道通過薄壁的橫向熱平衡，這些結構因素影響脈動熱管的運行特性。結合前期研究成果，設計一種具有梯形截面的單面波浪平板脈動熱管并對其傳熱性能進行實驗研究，在空氣強制對流冷卻情況下分析充液率、傾角、加熱功率等對傳熱性能的影響。

1 實驗對象及實驗方法

本文中研究的單面波浪脈動熱管為一種新穎的板式熱管，具有結構簡單、耗材少、易于加工等特點，波浪結構增大了散熱面。熱管結構如圖1和圖2所示，外形長寬高為210 mm×41.8 mm×2.88 mm，兩端盒體連接焊接小管用于抽真空及灌液，形成的梯形通道當量直徑為1.664 mm。熱管分為蒸發端和冷凝端，長度分別為84 mm和126 mm，熱管殼體材料是厚度為0.4 mm的不銹鋼薄板。脈動熱管工作原理為：工質在脈動槽道中受分子作用力影響始終處于氣液相間狀態。工作時，熱端工質吸熱蒸發壓力上升，產生推動力，推動氣液塞(即工質)向冷端運動并在冷端冷凝放熱，工質在毛細力的作用下重新回到熱端，往復循環使熱量源源不斷從熱端輸往冷端。工作過程中，由于槽道氣液塞隨機生滅，對金屬內壁形成強烈沖刷并破壞熱邊界層，從而傳熱得到顯著強化。

圖1 平板脈動熱管截面圖(單位：mm)

圖2 平板脈動熱管實物圖

脈動熱管傳熱性能實驗系統如圖3所示。實驗裝置包括加熱部分、冷卻部分和數據采集部分，傾角可精確調節。加熱部分由纏繞電阻絲的加熱塊、交流穩壓器、可調變壓器、功率表組成，可實現輸入功率的任意調節；冷卻部分為1臺改進的電腦CPU散熱風扇，可實現空氣強制對流散熱；熱管中間管壁處沿軸向布置9個溫度測點，采用AB膠將鎳鉻-鎳硅熱電偶粘貼在管壁上，通過美國吉時利2700數字多用表將測得溫度值傳輸到計算機上進行處理，該數字多用表具有溫度補償功能，精度為6位半，實現溫度的精確測量，溫度測點布置見圖4。實驗中熱管蒸發段及加熱塊用保溫材料包裹以減少散熱。

實驗步驟為：在某充液率下，調節不同傾角，在每種傾角下，進行不同加熱功率的傳熱性能實驗。實驗中熱管使用的工質為丙酮，初始真空度為10-2Pa。實驗時，當熱電偶測量的壁溫在15 min內波動小于0.5 ℃時，可認為熱管工作達到穩定狀態。

本文的傳熱性能評價指標為當量導熱系數，其含義等同于固體導熱系數，計算過程如下:

K=QL/A(T1-T2)

(1)

式中：A為熱管截面積，cm2；T1為蒸發端平均溫度，K；T2為冷凝端平均溫度，K；Q為熱管的加熱功率，W；L為熱管的軸向長度，cm；當量導熱系數K，W/(cm·K)。

圖3 實驗裝置示意圖

圖4 測點分布圖

2 實驗結果分析討論

對實驗結果進行分析與討論后得到一系列曲線，根據這些曲線，可從以下幾個方面對熱管的傳熱性能進行分析和對比。

2.1 充液率對熱管傳熱性能的影響

圖5為熱管傾角為90°(垂直安放)、60°、30°和0°時，在不同充液率下的傳熱性能曲線。從圖中可以發現，當熱管傾角不為0°時，最佳充液率為20%～30%；當熱管水平放置時，由于工質回流不暢，在低充液率的情況下易出現傳熱性能波動甚至急劇惡化的現象，此時應采用較大的充液率。

2.2 傾角對熱管傳熱性能的影響

圖6為熱管充液率20%、30%、40%和50%時熱管在不同的傾角下傳熱性能曲線。從圖中可以看出，除熱管0°放置外，熱管安裝角度對其傳熱性能影響不大，特別是高充液率情況下；但總體來說90°時熱管性能較為優異，這是因為90°時重力對工質回流有很大幫助。熱管0°放置時，在低充液率情況下傳熱性能較差，甚至喪失脈動傳熱效果，主要是由于工質回流不暢所致，根本原因可能是熱管當量直徑稍小的緣故。

2.3 加熱功率對熱管傳熱性能的影響

由圖5和圖6可知，隨著加熱功率的增加，熱管的當量導熱系數逐漸增大，達到極限后有下降的趨勢，說明這種熱管存在一個傳熱極限，和熱管槽道的結構設計有很大關系。需要指出的是，對于低充液率高加熱功率時，須防止熱端出現燒干現象。

圖5 在不同傾角時充液率對傳熱性能的影響

圖6 在不同充液率時傾角對傳熱性能的影響

2.4 低加熱功率時脈動熱管的特性

在實驗過程中發現熱管在低加熱功率時表現出一些特殊之處，表現為熱管內部經常發出斷斷續續的清脆響聲，隨之熱源和熱端的溫度突然跳躍降低、冷端的溫度出現突然跳躍上升，同時熱管當量導熱系數也跳躍升高，如圖7所示。分析后認為，由于加熱功率過低，而管壁導熱又不斷帶走熱量，熱端需要不斷積累熱量才能獲得足夠推動力。當推動力可以克服流動阻力時，氣塞推動液塞快速運動至熱端頂部撞擊管壁造成響聲，此時由于冷熱端溫差突然減小，故當量導熱系數突然增大。氣塞到達冷凝端后被冷凝，冷端溫度又迅速降低，熱端溫度再次逐漸升高積蓄熱量，因此冷熱端溫度出現波動。此外熱管在低加熱功率下運行時曾出現長時間未能啟動的現象，表現為冷端溫度先短暫上升，然后突然下降并基本保持不變，蒸發端溫度卻持續上升，如圖8所示。分析認為是由于冷端的液態工質不能回流至熱端，形成冷端堵塞，而此時熱管推動力不足、熱端因未完全蒸發致使毛細作用力下降，所以冷端積液難以回流。此時如果拿一根木棒輕敲熱管外壁，管內工質力平衡破壞，冷端工質在振動作用下回流至熱端，則會聽到一陣清脆響聲，冷端溫度和熱管當量導熱系數都迅速上升，根本原因可能是由于熱管的當量直徑過小的緣故。

圖7 低加熱功率時的傳熱性能

圖8 低加熱功率時的啟動性能

3 結論

對一種單面波浪平板脈動熱管的傳熱性能進行了實驗研究，對實驗結果分析后得出以下結論：

1)單邊波浪脈動熱管在用丙酮為工質時最佳充液率在20%～30%。

2)除水平放置外，安裝角度對熱管的傳熱性能影響不大，但90°時為最佳狀態；水平放置時應預防燒干，可采用較高的充液率。

3)本次設計熱管的當量直徑稍小，低功率下熱管傳熱性能存在波動，有時甚至不能啟動。

本文受湖南省自然科學基金項目(12JJ2031)和長沙市能源局項目([2008]27-8)資助。(The project was supported by Natural Science Foundation of Hunan Province (No.12JJ2031) and Changsha energy administration (No.[2008]27-8).)

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