異形整體式熱管散熱器傳熱實驗與分析

董梁，徐偉強，李倩倩

?

異形整體式熱管散熱器傳熱實驗與分析

董梁，徐偉強，李倩倩

（北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100191）

針對電子電氣設備散熱和均溫的需求，提出了一種新型結構形式的異形整體熱管散熱器：平板熱管形式的蒸發段與具有高肋化比翅片的冷凝銅管集成。對該熱管進行了傳熱實驗與分析，研究熱管在不同工況下溫度數值及分布，探究影響熱管性能的因素和規律，驗證其傳熱能力。結果表明：在各種工況下熱管溫差始終在1.75℃之內，均溫性能良好。加熱功率和對流散熱狀況對熱管啟動性能、總體熱阻、當量熱導率、傳熱系數都有影響。隨著加熱功率和對流速度增加，熱管啟動時間和熱阻均降低，當量熱導率和傳熱系數則逐漸上升。熱阻最低為0.189℃·W-1，最佳當量熱導率為20964 W·m-1·K-1。相比于同等尺寸的傳統熱管，熱阻降低了37%，傳熱效率提升15%。

熱管；傳熱；熱阻；當量熱導率

引 言

各領域的運行控制系統越來越復雜，設備性能、功率越來越高，這是現代電子電氣設備發展的趨勢。此外電子電氣設備的集成度越來越高，單個設備艙內往往存在多個器件熱源。設備的可靠性很大程度上取決于其溫度水平，溫度分布不均或過于集中均會對設備造成損壞或性能損失。電子電氣設備的主要失效形式之一是熱失效,有的器件在環境溫度升高10℃時，失效率增大1倍以上，被稱為10℃法則[1]。據統計，電子設備的失效有55%是溫度超過標準值引起的。必須采取有效措施進行高效散熱來保證設備正常運行。熱管作為高效傳熱器件，在各溫控領域得到廣泛應用，成為散熱的有效方式之一。熱管是20世紀60年代發展起來的傳熱器件，具有高導熱性。由于其結構簡單、工作可靠、質量輕、效率高，在航空航天、熱能回收、溫度控制、太陽能集熱等各領域中得到廣泛應用[2]。特別是在航空航天領域中，熱管作為其控制系統的核心部件得到了普遍的重視與研究[3-4]。在某些特殊場合，普通結構形式熱管已經不能滿足需求，對熱管的優化改進與實驗研究已經成為近來工程熱學領域的一項重要課題[5]。眾多科研人員針對熱管研究做了大量工作。林貴平等[6-7]對重力輔助環路熱管進行了一系列的實驗研究，獲取了其穩態運行特性，并針對實驗過程中發現的溫度波動現象進行了分析。曹小林等[8]設計了一種新型重力熱管并進行了相關實驗研究，證明了其可行性。趙耀華等[9]對一種平板式蒸汽腔與微熱管陣列組合式熱管進行了傳熱特性研究，并將其應用于大功率LED的散熱。白敏麗等[10]為滿足大功率臺式計算機CPU的冷卻要求，提出了集成熱管散熱器的新概念，并用CFD數值模擬驗證了熱管的性能，新結構的集成熱管散熱器熱阻達0.2℃·W-1，滿足性能要求。彭玉輝等[11]在兩相虹吸熱管中添加了納米顆粒并進行實驗研究，結果表明傳熱系數得到大幅提高。Mohamed等[12]針對計算機提出一種U形集成熱管，并通過實驗、理論分析及軟件仿真驗證了集成熱管的可靠性。呂倩[13]研究了9種不同熱管式冷板在空氣條件下的傳熱特性和使用壽命，可為機載電子設備熱管的選擇和設計提供依據。以上研究主要集中在對單一普通熱管或平板熱管強化傳熱研究或結構改進上，對集成式熱管散熱器的研究大多是穿接熱管散熱或是埋嵌式熱管散熱方式，未實現真正的內部一體化設計集成。一些研究者也將平板熱管與冷凝管整合，但結構形式為平板式熱管垂直于冷凝段。

本文提出了一種新式集成式熱管——異形整體式熱管散熱器，并對其進行了傳熱實驗與分析，探討了不同Reynolds數和加熱功率等對熱管傳熱性能的影響，為熱管的后續研究提供依據。

1 異形整體式熱管散熱器設計及物理模型

熱管的設計包括熱管幾何結構設計，管殼、吸液芯、工質等材料的選擇以及傳熱能力和強度校核計算。電子設備的工作范圍一般為200～350 K，在此范圍內工質為水完全能夠滿足要求[2]。熱管結構如圖1（a）所示，冷凝段采用多根冷凝銅管叉排布置，并如圖1（b）所示構成間距為36 mm的等邊三角形布局以提高散熱效率。蒸發段采用類均溫板式結構，內部結構如圖1(c)所示，整個工質腔相互聯通，內部工質流動由一維變為二維或三維，有利于在蒸發段實現均溫效果，同時大的工質腔也減小了液-汽界面的摩擦力，有利于工質汽化[14]。蒸發段的結構形式也是該熱管的創新之處：平板蒸發段與具有高肋化比翅片的冷凝銅管集成在一起，不僅省去了中間傳熱環節的附屬設備，而且使得結構更加緊湊。單個或多個熱源可通過表面定位孔直接固定在蒸發段上，保證蒸發段直接與熱源充分接觸，具有更高的傳熱效率。冷凝銅管外壁采用矩形整體銅質翅片進行強化換熱。熱管殼體及翅片材料均選用紫銅，因為在所有非貴重金屬中銅的熱導率最高，為385 W·m-1·K-1。蒸發段內壁和冷凝銅管內壁均有一層銅粉燒結芯來提供足夠的毛細壓力保證傳熱效果。燒結銅粉粒徑為0.074～0.125 mm，孔隙率46%，熱管內壁燒結層及燒結銅粉電鏡圖如圖2 所示。

熱管主要參數如表1所示。整體式翅片數量為95片，冷凝段總的散熱表面積約2.2041 m2。

表1 熱管結構參數

2 熱管實驗分析

傳熱實驗是研究熱管的主要手段之一，通過實驗可以獲取熱管的啟動過程、工作狀態、壁面溫度分布及其傳熱極限?？煞治龅玫綗峁苄阅軈担峁軣嶙韬彤斄繜釋剩?，并探究熱管傳熱規律及影響因素。由于熱管內部傳熱過程復雜，涉及液膜傳熱、相變傳熱等，在本研究中將熱管蒸發段和冷凝段環節耦合在一起，通過實驗測定熱管的溫度分布并以此來計算熱管各部分熱阻和熱導率。

熱管實驗方案如圖3所示，自然對流散熱實驗臺如圖4所示。實驗器材包括外加風道、軸流式風扇、功率顯示儀、熱源、K型熱電偶、多通道數據記錄儀及計算機。熱源采用聚酯亞胺加熱膜并通過變壓器調節獲取不同的加熱功率。熱管表面布置多個熱電偶測量溫度分布，另有一熱電偶測量周圍環境溫度，熱電偶布置方案如圖3圓點所示，K型熱電偶的測量誤差為±0.5℃。熱管強制對流采用軸流式風扇（型號為DB15051）。

2.1 傳熱分析

類似于電力學中的電阻，在傳熱學中通常使用熱阻來衡量阻礙熱量傳遞的能力。為了更好地分析該異形整體熱管散熱器的性能，建立如圖5所示的該熱管的熱阻網絡模型。熱阻和熱導率的通用計算式如下

式中，D為兩部分之間的平均溫差，℃。

圖5中b為熱源的溫度，通過將熱電偶埋入熱源中心處測得，即圖3中的1、2、3和4，并采用四者的算術平均值作為熱源計算值；e表征蒸發段的平均溫度，取蒸發段多個測量點溫度（圖3中5678）的算術平均值。熱源和蒸發段壁板之間的熱阻sp表示為

式中，con為熱源和蒸發段壁面的接觸熱阻，在實驗中熱源與蒸發段表面緊密接觸且兩者之間涂有導熱硅脂，文獻[15]顯示，銑削或磨削形成的銅表面接觸熱阻量級為10-4，遠低于其他熱阻，在熱阻計算過程中可將其忽略，對總熱阻影響不大。蒸發段和冷凝段之間的傳遞熱阻表示為

式中，c為冷凝段的平均溫度，數值為6個溫度采集點（圖3中的9～14）的平均值。如圖5所示，假設來自蒸發段的總熱量均勻地分布到了10根冷凝銅管中，即1=2=…=10=/10。翅片散熱熱阻f表示為

式中，a為周圍環境的溫度，即圖3中的溫度15。由熱阻網絡模型可看出整個熱管的熱量傳遞路徑為串并聯形式并存，則熱管總熱阻t表示為

異形整體式熱管散熱器的當量熱導率計算公式為

其中，D=a-e，有效長度eff=a+0.5(e+c)。

在自然對流情況下整體式翅片管外表面傳熱系數采用文獻[16]的Nusselt數關聯式來計算

對于強制對流采用Gogolin[17]提出的整體式翅片管束外的傳熱系數計算公式

式中，Reynolds數=udeq/，為凈通道截面的空氣流速，與迎面風速的關系為=u/，=(-0)(f-f)/(f)。是與結構尺寸有關的系數，取值范圍為0.412～0.0475，本實驗中取值0.2635。當量直徑的計算參考式為

eq=2(-0)(f-f)/[(-0)+ (f-f)] (11)

2.2 實驗結果分析

圖6為實驗過程中熱管溫度（beca）在不同功率和對流條件下的變化歷程。從b曲線可看出熱管啟動5 min內溫度即保持恒定，進入穩定工作狀態，在此過程中溫度先急劇升高然后逐漸變緩直至恒定，較短的變化過程反映出熱管的啟動性能良好。圖7為3 m·s-1風速時熱管啟動過程，根據曲線斜率可以看出加熱功率會對啟動快慢造成影響：在同一對流散熱條件下，隨著加熱功率的變大熱管的啟動時間縮短。這是由于在啟動過程中，當加熱功率較低時，熱管蒸發段液池內核態沸騰不穩定，氣泡周期性的形成和破裂導致熱管管壁溫度周期性波動，出現間歇性沸騰。而在加熱功率較大時，這種現象基本不會發生[18]。

圖8為強制對流時蒸發段和冷凝段的溫差變化曲線，在整個實驗過程中溫差始終在0.1～1.75℃之間波動，這說明熱管工作過程中表面溫度分布均勻，未出現明顯的溫度梯度，具有很高的等溫特性。散熱器均勻的溫度場可以均勻散熱并提供更大的有效散熱面積，從而獲得更高的散熱效率。

圖9為熱管熱阻隨加熱功率和外部散熱狀況的變化規律。在自然對流狀態下，總熱阻t隨加熱功率變大先逐步降低，在加熱功率為150 W時達到最低值，為0.355℃·W-1。但當加熱功率為200 W和250 W時，熱阻再次變大，原因可能是熱源功率過高導致熱管蒸發段部分出現工質干涸現象，導致出現較高的蒸汽流動阻力[19]。強制對流時總熱阻相對于自然對流時大幅降低，并在250 W和3 m·s-1時達到最低0.189℃·W-1?？偀嶙枋芗訜峁β屎蛷娭茖α魉俣鹊挠绊?，隨著兩者的增大而逐漸降低。

圖10表示了熱管在啟動過程中當量熱導率eff隨加熱功率的變化規律。在啟動初期，當量熱導率非常大，接近105數量級；之后當量熱導率逐漸降低，最后維持在一個穩定的數值。當量熱導率也受到加熱功率的影響，當穩定后，加熱功率越大則當量熱導率越大，這是因為管壁表面汽化核心越多，生成氣泡的頻率越快，工質汽化越快，啟動越快，當量熱導率也越大[20]。本次實驗中最大當量熱導率可達到20964 W·m-1·K-1。

圖11為熱通量及傳熱系數之間的關系。熱管的自然對流傳熱系數受加熱功率的影響，隨加熱功率的增大而逐步增大，在加熱功率為150 W時可由式（7）計算得nc達到14.202 W·m-2·K-1。與現有的非集成式熱管的熱傳遞性能相比，該新型熱管的傳熱系數平均提高了15%。傳熱性能提升的主要原因是該熱管提供了均勻的溫度場可以均勻散熱并提供更大的有效散熱面積，從而獲得更高的散熱效率和表面散熱傳熱系數。其次是整體采用叉排布置的冷凝銅管和整體式翅片更加有利于散熱器和空氣的對流散熱。圖12為強制對流時的傳熱系數fc與Reynolds數（強制對流速度）的關系。由圖可知，fc隨Reynolds數的增大而逐漸增大，當強制對流速度為5 m·s-1且加熱功率為250 W時，fc的數值由式（10）計算得到為97.36 W·m-2·K-1。

3 結 論

（1）通過熱管傳熱實驗分析了所設計的異形整體式熱管散熱器的傳熱和均溫特性。結果表明加熱功率和對流速度對熱管熱阻和當量熱導率均有影響。熱管散熱器整體熱阻隨加熱功率和對流速度的增大而增大，而當量熱導率隨加熱功率和對流速度的增大而減小。在最佳工況下，熱管的當量熱導率為20964 W·m-1·K-1，是銅的54倍，熱阻為0.189℃·W-1，傳熱效率極高。整個實驗過程中蒸發段和冷凝段的溫差始終未超過1.75℃，表明該熱管的均溫特性良好。

（2）該熱管集成了平板冷管和翅片管，結構緊湊，內部最大限度地縮短了傳熱路徑，降低了熱阻，提高了該裝置的散熱效率。相比于傳統熱管，熱阻降低了37%，冷凝段傳熱系數提升15%，傳熱效率得到較大提升。為熱管設計提供了一種簡單的思路，同時也提供了一套簡單可行的實驗分析和數值計算方法，為進一步分析內部傳熱機理和優化設計提供了依據。

符 號 說 明

A——熱管面積, m2 C——常數系數 deq——翅片當量直徑，m d0——翅片根部直徑，m Gr——Grashof數 g——重力加速度，m·s-2 Keff——當量熱導率，W·m-1·K-1 La, Lc, Le, Leff,Lf——分別為熱管絕熱段、冷凝段、蒸發段、有效長度及翅片寬度，m l——熱管特征長度，m Pr——Prandtl數 Q, Q1——傳熱量，W Rb, Rcon, Rf——分別為蒸發壁板擴散熱阻、接觸熱阻、翅片散熱熱阻，℃·W-1 Rh, Rt, Rsp——分別為蒸發段與冷凝段熱阻、總熱阻和熱源蒸發段之間熱阻，℃·W-1 Ra——Rayleigh數 s, sf——分別為翅片管間距和翅片節距，m Ta, Tb, Tc, Te——分別為環境溫度、熱源溫度、冷凝段溫度、蒸發段溫度，℃ u, uy——分別為凈通道截面的空氣流速和迎面風速，m·s-1 a——氣體膨脹系數，K-1 df——翅片厚度，m e——凈面比 l——空氣熱導率，W·m-1·K-1 m——空氣動力黏度，N·s·m-1 r——空氣密度，kg·m-3 u——空氣運動黏度，m2·s-1 下角標 a——環境的 b——熱源基準 c——冷凝段 con——接觸的 e——蒸發段 eff——有效的 eq——當量 f——翅片 fc——強制對流 h——熱管傳輸 nc——自然對流 sp——熱源和平板 t——總的 y——迎面風 0——翅片根部

References

[1] NELSON L A, SEKHON K S, FRITA J E. Pirect heat pipe cooling of semiconductor devices[C]// Proceedings of the 3rd International Heat Pipe Conference. 1978.

[2] 馬同澤, 侯增祺, 吳文銑. 熱管[M]. 北京: 科學出版社, 1985: 1-6, 221-222. MA T Z, HOU Z Q, WU W X. Heat Pipe [M]. Beijing: Science Press, 1985: 1-6, 221-222.

[3] 閔桂榮, 郭舜. 航天器熱控制[M]. 北京: 科學出版社, 1998: 32-67. MIN G R, GUO S. Spacecraft Thermal Control[M]. Beijing: Science Press, 1998: 32-67.

[4] PARK J H. A study on thermal performance of heat pipe for optimum placement for satellite equipment[J]. ETRI Journal, 1997, 19 (2): 59-70.

[5] 方書起, 趙凌, 史啟輝, 等. 螺旋槽重力熱管強化傳熱實驗研究[J]. 化學工程, 2008, 36(6): 19-21. FANG S Q, ZHAO L, SHI Q H,Experimental research of enhanced heat transfer for spiral groove gravity heat pipe [J]. Chemical Engineering(China), 2008, 36(6): 19-21.

[6] 柏立戰, 林貴平, 張紅星. 重力輔助環路熱管穩態運行特性的實驗研究[J]. 航空學報, 2008, 29(5): 1112-1117. BAI L Z, LIN G P, ZHANG H X. Experimental study on steady-state operating characteristics of gravity-assisted loop heat pipes [J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2008, 29(5): 1112-1117.

[7] 張紅星,林貴平. 環路熱管溫度波動現象的實驗分析[J]. 北京航空航天大學學報, 2005, 31(2): 116-120. ZHANG H X, LIN G P. Experimental investigation on temperature oscillation of loop heat pipes[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2005, 31(2): 116-120.

[8] 曹小林, 曹雙俊, 馬衛武, 等. 新型重力熱管換熱器傳熱特性的數值模擬[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(4): 1689-1694.CAO X L, CAO S J, MA W W,. Numerical simulation on steady-state heat transfer characteristic of a novel gravity-assisted heat pipe heat exchanger[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(4): 1689-1694.

[9] 趙耀華, 王宏燕, 刁彥華. 平板微熱管陣列及其傳熱特性[J]. 化工學報, 2011, 62(2): 336-343. ZHAO Y H, WANG H Y, DIAO Y H. Heat transfer characteristics of flat micro-heat pipe array[J]. CIESC Journal, 2011, 62(2): 336-343.

[10] 喜娜, 白敏麗, 孫志君. 新型集成熱管散熱器的研究[C]// 中國工程熱物理學會年會, 2005. XI N, BAI M L, SUN Z J. Experimental study on a new type of integrated heat pipe radiator[C]// Annual Meeting of Chinese Society of Engineering Thermophysics, 2005.

[11] 彭玉輝, 黃素逸, 黃錕劍. 熱管中添加納米顆粒[J]. 化工學報, 2004, 55(11): 1768-1772. PENG Y H, HUANG S Y, HUANG K J. Experimental study on thermoshiphon by adding nanoparticles to working fluid [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2004, 55(11): 1768-1772.

[12] MOHAMED H A, ELNAGGAR M Z, ABDULLAH M. Experimental analysis and FEM simulation of finned U-shape multi heat pipe for desktop PC cooling [J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52 (8/9): 2937-2944.

[13] 呂倩. 熱管冷板常溫與高低溫性能試驗研究[J]. 電子科技大學學報, 2014, 43(3): 470-475. Lü Q. Experimental study on the performance of heat pipe cold plate under normal and high-low temperature [J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2014, 43(3): 470-475.

[14] 劉曉為, 辛欣, 霍明學. 微型多槽道平板熱管傳熱特性分析及最大傳熱量預測[J]. 傳感技術學報, 2007, 20(9): 2103-2107. LIU X W, XIN X, HUO M X. Thermal analysis and maximum heat transport of a micro flat heat pipe with axial triangle grooves [J]. Journal of Transduction Technology, 2007, 20(9): 2103-2107.

[15] 張奕, 郭恩震. 傳熱學[M]. 南京: 東南大學出版社, 2004: 32-35. ZHANG Y, GUO E Z. Heat Transfer[M]. Nanjing: Southeast University Press, 2004: 32-35.

[16] CENGEL Y. Heat Transfer[M]. 2nd ed. New York: McGraw, 2003: 466-468.

[17] GOGOLIN A A. On cooling air in surface air coolers: Le refroidissement de l′air dans les refroidisseurs d'air superficiels [C]//Progress in Refrigeration Science & Technology. Proceedings of the XIth International Congress of Refrigeration. Munich, 1965: 1339-1342.

[18] 王鑫煜, 辛公明, 田富中, 等. 小管徑重力熱管啟動特性[J]. 化工學報, 2012, 63(S1): 1768-1772. WANG X Y, XIN G M, TIAN F Z,. Start-up behavior of gravity heat pipe with small diameter [J]. CIESC Journal, 2012, 63(S1): 1768-1772.

[19] TIAN S L, YEW M H. Experimental investigation on the thermal performance and optimization of heat sink with U-shape heat pipes [J]. Energy Conversion and Management, 2010, 51(11): 2109-2116.

[20] ZHANG H X, LIN G P, DING T,Experimental study on start-up characteristics of loop heat pipes [J]. Science in China (Technological Science), 2005, 35(1): 17-30.

Experiment and simulation analysis of special-shaped overall heat pipe radiator

DONG Liang, XU Weiqiang, LI Qianqian

(School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

A new structured heat pipe radiator was designed with integration of the evaporator of flat heat pipes and the condenser of finned cupper cylinders, in order to meet the new requirements of heat dissipation and uniform temperature of electrical and electronic equipment. Heat transfer experiments and simulation analysis were performed to study temperature distribution across the heat pipe under various conditions, factors influencing performance and heat transfer capacity. Results showed good temperature control across the heat pipe with difference in the range of 1.75℃. Heating power and convection heat dissipation had influence on starting performance, overall thermal resistance, equivalent thermal conductivity and heat transfer coefficient. With the increase of heating power and convection rate, both start-up time and thermal resistance were decreased whereas equivalent coefficient of thermal conductivity and coefficient of heat transfer were increased. The minimum thermal resistance and the optimal equivalent thermal conductivity of the heat pipe were 0.189℃·W-1and 20964 W·m-1·K-1, respectively. Compared to traditional heat pipe of same dimensions, the new design had a reduction in thermal resistance by 37% and an increase in heat transfer coefficient by 15%.

heat pipe; heat transfer; heat resistance; equivalent thermal conductivity

2016-04-14.

XU Weiqiang, xwq@buaa.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160483

TK 124

A

0438—1157（2016）10—4104—07

2016-04-14收到初稿，2016-07-14收到修改稿。

聯系人：徐偉強。第一作者：董梁（1990—），男，碩士研究生。