振蕩熱管傳熱性能及單向閥結構的研究

王德健 宋 淳 朱思宇

沈陽化工大學能源與動力工程學院 遼寧沈陽 110142

電腦CPU是一塊大規模集成電路，熱功耗量數瓦到數百瓦不等。隨著電腦運行速度的提升，CPU的功率越來越大，這樣在較小面積上就會聚集大量熱量。隨著電子器件功率的進一步增大，單純地沿用傳統的依靠單相流體的對流換熱和強制風冷等方法的散熱已不能滿足需要。因此，必須研究和開發新的散熱手段，以適應高功率、高熱流密度的散熱需求[1]。理論和實際應用情況都表明，電子器件的故障發生率隨溫度的上升而呈指數關系增長[2]，如果沒有主動散熱，則CPU的溫度會在短時間內快速上升，而CPU一般只能穩定工作在70-80度左右。因此CPU必須主動散熱才能穩定工作，否則就會因為高溫而使主板燒毀。研究發現，電子元器件的工作溫度每升高10℃，其壽命將會降低一半左右[3、4]。

振蕩熱管是一種結構簡單，傳熱性能優良的換熱元件，如圖1所示，在小型電子器件散熱領域，特別是高熱流密度元器件上得到了比較廣泛的應用[5]。本項目設計振蕩熱管的改進型回路結構，制作改進型回路振蕩熱管試件，對其進行傳熱性能的研究，分析工質、充液率、傾斜角度、加熱功率、冷卻水流量和通道截面尺寸對振蕩熱管啟動和傳熱的影響。

當脈動熱管單側加熱時，由于兩邊的熱流密度不對稱，因此考慮單向閥流向的影響，在脈動熱管自身不能穩定單向運行的工況下，單向閥會促使管內工質形成穩定的單向循環流動，單向閥會改變管內工質的運行狀態，促使工質單向循環流動[6]。

圖1 閉式回路型脈動熱管原理圖

一、模型建立

實驗所用振蕩熱管總長度為112mm，寬度為180mm，蒸發段長度為50mm，絕熱段長度45mm，冷凝段長度85mm，彎頭處內徑10mm的熱管模型。

本實驗的邊界條件如下：加熱功率110W，熱流密度為52784.12瓦每平方米，熱管內部的充液率達到60%。

圖2 （a）網格圖

圖2 （b）局部圖

二、單向閥的結構改進

脈動熱管內部的工質總是處于不穩定運行的狀態且隨時可能出現停頓、反轉和振蕩的現象，導致其傳熱性能下降。針對管內工質不穩定運行的問題，單向閥可以促使管內的工質形成穩定的單向循環流動[6]。單向閥的種類很多，主要包括彈簧式、重力式、旋啟式和隔膜式，振蕩熱管的閉環路結構和單向閥結構圖如圖6所示。

在選擇與脈動熱管集成的單向閥時需要考慮很多因素，其中最為重要的是氣密性、抗壓性、抗蝕性、易集成性等。因為閉環脈動熱管在灌注工質之前其內部處于真空狀態，所以單向閥對氣密性要求很高。如果單向閥存在漏氣的問題，脈動熱管的性能將大幅下降甚至失效。此外，脈動熱管在運行過程中其內部的工質受熱蒸發產生巨大的壓力，因此單向閥要具有一定的抗壓要求，其抗壓要求可依據脈動熱管的工作溫度以及其管內工質在該溫度下的飽和蒸汽壓力進行設計[6]。

人體大動脈的起始部位比如主動脈、肺動脈的根部都有動脈瓣的。瓣膜的功能是防止血液從動脈到心室的反流，瓣膜的打開和關閉是一個相對被動的過程，瓣膜需要相對快速的開關，而且每次關閉時，需要完全封閉。人的一生中心臟瓣膜需要承載數十億次高強度的往復載荷，心臟進行非常有規律的收縮、舒張運動，瓣膜作為一個單向導流閥，起到了推動血液系統不斷循環的作用[7]。在心室舒張時二尖瓣打開，允許左心房血液流入到左心室，在收縮期瓣膜閉合，防止血液在反向壓差的作用下反流回左心房[8]。

圖3 動脈瓣結構圖

圖4 單葉及雙葉

雙葉瓣是兩枚半圓形瓣膜由折葉支持而開閉的，比傾斜圓板型瓣膜進一步增加了開口面積。雙葉瓣的血流為平流，有效開口面積相對更大些，單葉瓣為偏心血流，另外雙葉瓣的雜音普遍比單葉瓣要小[9]。

在此結構上我們利用仿生學原理制造了符合熱管防回流結構的單向閥，將葉片軸兩端加入了還原裝置，如圖5。其原理是把葉片繞其轉動的點當做支點，手對夾子的作用力是動力F1，從支點向動力的作用線作垂線段，即可作出動力的力臂L1，繼而在沒有水流的狀態下使雙葉瓣回到原位，如圖6所示。

圖5 單向閥結構

圖6 還原裝置原理圖

本文對振蕩熱管的兩相流動傳熱特性進行了數值模擬，數值模擬氣液兩相在振蕩熱管中的運動過程，著重關注振蕩熱管，得到的結果有：

（一）啟動的初始階段，隨著加熱時間的增加，熱管底部氣柱逐漸膨脹，并帶動兩相流產生運動。

（二）啟動的初始階段，隨著加熱時間的增加，底部壓強增大，兩相流產生運動后，壓強逐漸降低。

（三）根據仿生學所制造的雙葉單向閥，聲音較小，且可自動閉合，可有效避免回流現象。