等截面和變截面通道硅基微型脈動熱管傳熱特性比較

孫芹，屈健，袁建平

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等截面和變截面通道硅基微型脈動熱管傳熱特性比較

孫芹1，屈健2，袁建平1

（1江蘇大學國家水泵中心，江蘇鎮江 212013；2江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江 212013）

為了解截面結構對微型脈動熱管傳熱性能和內部工質流動特征的影響，采用可視化和溫度測量的方法對比研究了等截面和變截面硅基微型脈動熱管內的工質運動和傳熱特性。實驗工質為R141b，充液率為40%～60%。實驗結果發現，變截面通道結構的設計不僅有利于降低微型脈動熱管的熱阻，提高其傳熱能力，同時可有效改善其啟動性能。隨著充液率的增大，該優勢更加明顯，當充液率約60%時變截面微型脈動熱管的啟動功率和啟動蒸發段平均溫度比等截面熱管分別下降約0.4 W和17.3℃。另外，因變截面結構而形成的附加毛細作用可使微型脈動熱管內工質發生短暫定向運動，而在等截面熱管中則未觀察到上述現象。

微型振蕩熱管；變截面；傳熱特性；流型；核態沸騰

引 言

近年來隨著通信信息產業的高速發展，集成化和微小型化引起的器件溫控問題正成為制約行業發展的重要瓶頸[1-3]。尤其在應用最廣泛的微電子領域，芯片發熱強度不斷攀升，產生的熱量若無法及時有效排除，因溫升而引起的“熱障”問題將嚴重影響芯片工作性能乃至整個系統的安全可靠性。而具有適應“芯片級冷卻”需要的MEMS微型熱管技術則被認為是解決上述問題的重要途徑之一，其在光電器件、微型燃料電池、紅外探測頭和激光二極管冷卻等方面同樣具有很好的應用前景[4]。

脈動熱管因結構簡單、價格低廉且可實現高效熱量傳輸而成為近年來熱管領域的研究熱點[5-10]。而脈動熱管無須吸液芯的特點也使其能夠在百微米量級的內徑狀況下正常啟動運行[11]，為微型化發展創造了條件。脈動熱管MEMS微型化的實現可使其能夠直接與半導體芯片集成，解決芯片散熱材料的兼容性問題，并且可以最大限度降低芯片的“熱點”溫度、增強其整體均溫性，在微小器件高強度散熱冷卻和溫控方面具有很大的優勢。從2010年起，Qu等[12-14]率先對由MEMS工藝制作的硅基微型脈動熱管開展了流動可視化和傳熱特性研究，熱管梯形通道截面的當量直徑介于251～394 μm之間，上述微型脈動熱管在分別以FC-72和R113為工質的情況下可持續振蕩運行，顯示出很好的傳熱性能。Youn等[15]對矩形截面通道（通道當量直徑571 μm）硅基微型脈動熱管進行了實驗研究，發現以乙醇為工質時該熱管的有效熱導率高達600 W·m-1·K-1。吳慧英等[16]對通道當量直徑分別為407.2和305.4 μm的硅基梯形截面通道脈動熱管進行了可視化實驗研究，觀察到區別于常規振蕩熱管的非典型振蕩現象，并發現非典型振蕩情況下熱管對充液率的適應性比典型振蕩更佳。受Liu等[17]和Chien等[18]所報道的交替截面通道可有效強化脈動熱管傳熱的影響，Yang等[19]設計制作了具有類似交替截面通道結構的硅基微型脈動熱管，發現以HFE-7100為工質時交替截面通道微型脈動熱管在水平放置情況下可正常啟動運行，但等截面通道微型脈動熱管則無法啟動。最近，Kwon等[20]同樣比較研究了等截面和交替截面通道微型脈動熱管的傳熱性能，發現在交替截面通道情況下微型脈動熱管的傳熱性能較等截面通道有明顯提高，前者甚至能夠實現反重力運行。由此可知，與常規熱管類似，交替截面通道結構能夠有效提升微型脈動熱管的傳熱能力。

除了上述交替截面通道外，漸變截面通道（即通道寬度沿長度方向呈線性增大或減小）同樣具有提高脈動熱管傳熱能力的效果。Holley等[21]對漸變截面脈動熱管的模擬研究發現，該結構可有效促進熱管內工質形成定向循環運行，改善其傳熱性能。但與交替截面通道相比，具有該結構的常規脈動熱管在加工制作方面比較困難，而MEMS微加工技術在該方面則具有明顯的優勢，能夠方便構建各種不同通道形式的微型脈動熱管。本研究通過MEMS技術分別制作了具有等截面和漸變截面通道的硅基微型脈動熱管，并對兩種不同結構微型脈動熱管的熱力特性進行了實驗研究，比較了不同充液率下熱管的傳熱性能和流型變化特征。

1 實驗裝置

1.1 硅基微型脈動熱管的制作

硅基微型脈動熱管通過標準的MEMS工藝制作而成，材料包括硅片和Pyrex7740玻璃，具體制作過程與文獻[12, 22]中的報道類似。首先，在硅片上通過干刻工藝（即等離子體刻蝕）制作得到矩形截面微槽道；然后，通過硅/玻璃靜電鍵合方式將Pyrex7740玻璃與刻蝕有微槽道的硅片鍵合為一體，由此即可形成由玻璃密封的硅基微型脈動熱管。在硅/玻璃鍵合前，還需通過激光在玻璃上加工制作用于抽真空/充注工質的小孔。由該方法制作得到的脈動熱管可承受足夠高的內部壓力，且能夠同時滿足可視化觀測的需要。

圖1給出了本研究所用的兩個硅基微型脈動熱管的示意圖及通道結構尺寸參數。兩個微型脈動熱管的蒸發段部位均含有15個彎頭，熱管的整體尺寸為28 mm×23 mm，其中#1硅基微型脈動熱管具有等截面通道結構，而#2硅基微型脈動熱管則具有變截面通道結構，其相鄰通道寬度沿通道長度方向交替線性增大或減小（即某一通道寬度沿長度方向線性增大，其相鄰通道寬度則沿該方向線性減小）。通過計算可知，#1微型脈動熱管的通道當量直徑為332.4 μm，#2微型脈動熱管蒸發段緊靠彎頭處相鄰大、小兩通道的當量直徑分別為364.4和287.0 μm。

1.2 實驗系統

如圖2(a)所示，本實驗系統主要由5個部分構成，分別為測試段、可視化裝置、數據采集裝置、加熱和冷卻裝置。實驗中，微型脈動熱管固定在可調節傾角的旋轉基座上[圖2(b)]。熱管蒸發段底部布置有鎳鉻合金蛇形加熱薄膜，通過直流電源進行加熱，加熱量可由數字萬用表記錄的電壓和電流乘積得到。為減少熱管的散熱損失，對熱管及加熱薄膜進行了適當的保溫處理。熱管冷凝段采用水冷冷卻，水冷槽利用3D打印技術一次成型，與熱管冷凝段充分貼合，可有效保證冷卻效果。冷卻水的入口溫度由恒溫槽控制，流量大小可控，本實驗設定入口水溫為25℃。實驗所用兩個微型脈動熱管的蒸發段、絕熱段和冷凝段長度一致，分別為5.5、13.0和9.5 mm。

為測試熱管的整體傳熱性能，在熱管硅基底部共布置有8個Ω公司產的T型熱電偶（直徑0.1 mm，精度0.1℃），熱電偶在熱管底面的具體分布如圖3所示（其中測量熱管蒸發段的熱電偶分別為1e、2e、3e和4e，絕熱段的熱電偶分別為1a和2a，而冷凝段的熱電偶則分別為1c和2c）。熱電偶所測溫度由數據采集器（Agilent 34972）輸入計算機。為保證熱電偶測溫信號不受干擾，硅基和加熱薄膜之間含有一層電絕緣薄膜。為詳細觀察微型脈動熱管通道內工質相變和相界面運動行為，在垂直熱管通道陣列方向布置有附帶微距鏡頭的高速CCD像機（Olympus，i-speed 2），可將工質汽/液兩相運動圖像與溫度數據進行對比分析。

本實驗所用工質為R141b，體積充液率（FR）范圍介于40%～60%之間。因硅基微型脈動熱管內部通道的總體積較小，熱管的充注和封裝十分關鍵。本實驗充注和封裝過程如下：充液前先對熱管進行抽真空處理，利用真空泵將通道內的壓力穩定降至0.1 Pa以下；然后，通過微型注射器將工質注入熱管至滿充；為獲得所需充液率，需利用另一臺便攜式真空泵將熱管內部分工質抽出，隨后通過微型止水夾將其密封，最后進行膠封。通過測量密封后熱管內液塞的總長即可獲得相應的充液率。上述充注和封裝方法方便有效，且充液率準確度較高。另外，本實驗誤差分析與文獻[22]中的處理方法類似，通過分析發現熱阻的最大不確定度小于6.5%。

2 結果與討論

2.1 不同充液率下微型脈動熱管的傳熱性能

圖4給出了不同充液率下豎直放置（底部加熱）時#1和#2微型脈動熱管蒸發段（1e，3e）和冷凝段（1c）在不同加熱功率下的溫度變化情況。從圖中可以看出，截面形狀對微型脈動熱管的啟動及工質振蕩運動均有不同程度的影響。表1匯總了對應于圖4中不同充液率下兩個微型脈動熱管的最小啟動功率、啟動蒸發段平均溫度和熱管內工質實現連續振蕩的最小功率。綜合圖4和表1可以發現，對于#1和#2微型熱管而言，利于其啟動的最佳充液率均為42%左右，且其啟動性能均隨著充液率的提高而下降（即啟動功率和啟動蒸發段溫度均升高）。但隨著充液率的增大，#2微型熱管的啟動性能明顯優于#1微型熱管，尤其在充液率約為60%時，#2熱管的啟動功率和啟動蒸發段平均溫度分別下降了0.4 W和17.3℃。另外，隨著加熱功率的提高，進入啟動狀態后#2微型熱管較#1微型熱管能夠更為迅速地實現持續穩定振蕩，因此表1中不同充液率下#2微型熱管實現連續振蕩的加熱功率明顯更小。對于#1微型熱管，從圖4可以看出其啟動后容易形成大幅間歇振蕩，只有當加熱功率較大時才能進入穩定連續振蕩階段，而#2微型熱管則能夠更快地完成由啟動至穩定振蕩的狀態轉換，溫度振蕩頻率更高，而振幅則更小。通過上述比較可以發現，微型脈動熱管實現啟動后漸變截面結構的槽道設計更利于其迅速進入穩定持續振蕩狀態，且具有更好地均溫性，從而有效提升其傳熱性能。

表1 兩種硅基微型脈動熱管的最小啟動功率、對應的蒸發段平均溫度及實現持續振蕩的最小功率

圖4 豎直放置時#1和#2微型脈動熱管冷、熱段壁面溫度隨加熱功率的變化情況

圖5給出了豎直情況下兩個微型脈動熱管在不同充液率時熱阻隨加熱功率的變化情況。從中可以看出，在相近充液率和加熱功率下#2熱管比#1熱管具有更小的熱阻。當加熱功率約為6.0 W時，與#1微型熱管相比，#2微型熱管的熱阻在充液率約為42%、50%和60%時分別下降了0.6、1.7和2.0 K·W-1。因此，漸變截面結構的槽道設計有利于提高微型脈動熱管的傳熱性能，其優勢隨著充液率的增加表現得更為明顯。

上述實驗結果表明，具有漸變截面通道結構的微型脈動熱管明顯有利于促進熱管的啟動和提高總體傳熱性能，且隨著充液率的增大其優勢更加明顯。形成上述結果的主要原因在于漸變截面通道設計有利于促使微型脈動熱管內工質形成定向循環運動（圖6）。根據文獻[23-24]的報道發現，漸變結構具有類似毛細泵的效果，附加的毛細驅動力能夠有效幫助氣泡自窄通道部位向寬通道部位自發運動，并促使相鄰液塞一起發生移動。上述作用將促使工質在微型脈動熱管內形成整體的定向循環趨勢，從而增強熱管的傳熱能力。

2.2 微型脈動熱管穩定運行的流型特征

當微型脈動熱管順利啟動并經歷間歇振蕩后，可過渡至穩定振蕩運行階段。圖7給出了#1和#2微型熱管在相近工況下穩定振蕩時通道內工質的運動狀況（加熱功率和充液率分別約為4.6 W和50%）。由圖可以看出，#1和#2微型脈動熱管內均存在泡狀流、塞狀流和環狀/半環狀流，但從中均未觀察到明顯的噴射流，這可能與本實驗所選工質有關。相比較#1微型熱管，#2微型熱管的變截面通道可使其蒸發段處更易發生核化現象，增大了泡狀流出現的范圍。隨著加熱功率的增大，#1微型脈動熱管內的汽/液塞振蕩運動基本維持在單個通道內，難以觀察到汽塞膨脹至相鄰通道和明顯的工質定向循環運動[圖7(a)]。而在#2微型脈動熱管內，通道內汽塞通過迅速膨脹可跨越冷凝段彎頭至相鄰通道[圖7(b)中c、e]，且能夠觀察到短暫定向運動的出現。隨著加熱功率的增大，上述現象在#2微型脈動熱管表現的更為明顯（圖8），但工質的定向循環運動難以持續，主要原因可能是微型脈動熱管內工質運動所受阻力較大，對其發生具有顯著抑制作用。總體而言，#2微型脈動熱管內的工質振蕩運動更為混亂劇烈，這也是其傳熱性能較#1微型脈動熱管高的重要原因。

可視化觀察同時還發現，#1微型脈動熱管內的工質運動表現出間歇性振蕩的特征，這與圖4中對應的明顯溫度間歇振蕩是一致的，振蕩停滯時間隨著加熱功率的增加而減少，與常規脈動熱管中相似[25]。圖7(a)中a～f表示通道內工質的連續振蕩，液塞主要集中在冷凝段，蒸發段雖未發生“燒干”現象，但從中可以看出該部位液塞較少，汽/液塞在冷、熱段間大幅振蕩運動，蒸發段的液相主要以液膜形式存在，伴隨著潤濕/再潤濕行為，此過程大約持續0.6 s。之后，通道內工質出現短暫近似停滯狀態[圖7(a)中f～h]，汽、液塞僅發生局部小幅振蕩，傳熱能力也相應下降，此狀態持續大約0.5 s。至+1.10 s開始，通道內汽、液塞分布又恢復至與時刻相似的情形，轉入持續大幅振蕩過程。

而#2微型脈動熱管內工質運動則無明顯停滯現象，隨著加熱功率的增大，微通道內的流型主要為環狀/半環狀流，且在熱管局部出現的短暫定向循環振蕩持續時間延長（圖8 a～f、i、j），因此#2微型熱管的傳熱性能隨著加熱功率的增大不斷提高，熱阻值可繼續減小（圖5）。同時#2熱管蒸發段彎頭處的核化現象明顯增多，產生的小氣泡長大聚合后形成泡狀流，具體如圖9所示。首先，熱管通道的變截面設計使液塞運動至蒸發段彎頭處時更易形成空化，為核態沸騰提供核化點，由此促進核化現象的發生（圖9 a～c）。之后，彎頭處核化產生的氣泡迅速長大并向兩側膨脹，推動通道Ⅰ和Ⅱ內的液塞同時向冷凝段方向運動（圖9 d～h），形成環狀/半環狀流。然后，通道Ⅰ內的長汽塞受開爾文-亥姆霍茲不穩（Kelvin-Helmholtz instability）的影響斷裂為若干短汽塞和氣泡，冷凝段出現環狀流向塞狀流和泡狀流的過渡（圖9 i～m）。另外，圖9 a～c中通道Ⅰ內蒸發段被液塞完全充滿，表明變截面結構的設計有利于一側通道的液相向蒸發段方向運動，可延遲“燒干”的發生，有效增大該熱管的傳熱極限。

3 結 論

對豎直情況下等截面和變截面硅基微型脈動熱管在不同充液率下的啟動及熱力特性進行了實驗研究，主要得出以下結論。

（1）漸變截面槽道結構的設計有利于提高微型脈動熱管的傳熱性能，且隨著充液率的增加，其優勢更加明顯。與等截面結構相比，在充液率約60%時漸變截面微型熱管的啟動功率和啟動蒸發段平均溫度可分別下降約0.4 W和17.3℃。

（2）與等截面微型熱管相比，變截面微型脈動熱管由啟動到穩定振蕩轉換的時間更短，且隨著加熱功率的增大，其穩定振蕩過程中無明顯間歇，提高了熱管均溫性。

（3）變截面微型脈動熱管出現了工質的短暫定向循環運動，且該過程隨著加熱功率的增大而延長，這主要與變截面結構可形成附加毛細驅動力有關，而等截面微型脈動熱管內則未明顯觀察到該現象。

（4）穩定振蕩運行時，兩個微型脈動熱管內主要流型均為泡狀流、塞狀流和環狀/半環狀流，而變截面通道可使熱管蒸發段處更易發生核化現象，增大了泡狀流出現的范圍。但在上述微型熱管中均未觀察到噴射流，這可能與所用實驗工質有關。

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Heat transfer performance comparison of silicon-based micro oscillating heat pipes with and without expanding channels

SUN Qin1, QU Jian2, YUAN Jianping1

(1National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;2School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

A simultaneous flow visualization and temperature measurement experiment has been carried out to investigate the heat transfer characteristics and flow behavior of two silicon-based micro oscillating heat pipes (Micro-OHPs) with straight and expanding channels. R141b was used as the working fluid with the volumetric filling ratios ranging from 40% to 60%. Experimental results show that the micro-OHP with expanding channels (#2 micro-OHP) has a better thermal performance, a lower start-up evaporator temperature (or start-up power input) than that of the micro-OHP with straight channels (#1 micro-OHP) at the vertical orientation. Compared to #1 micro-OHP, at the filling ratio of 60%, the reductions in the start-up power input and start-up evaporator temperature of #2 micro-OHP were about 0.4 W and 17.3℃, respectively. Intensified nucleate boiling and bubbly flow were observed in #2 micro-OHP as compared to #1 micro-OHP, and the transient circulation flow was only observed in the latter.

micro oscillating heat pipe; expanding channel; heat transfer characteristic; flow pattern; nucleate boiling

10.11949/j.issn.0438-1157.20161461

TK 124

A

0438—1157（2017）05—1803—08

屈健。

孫芹（1990—），女，博士研究生。

國家自然科學基金項目（51206065）。

2016-10-17收到初稿，2017-01-22收到修改稿。

2016-10-17.

QU Jian, rjqu@mail.ujs.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51206065).