新型液線毛細芯環(huán)路熱管啟動及傳熱性能

張藎文， 張 泉， 杜 晟

(湖南大學土木工程學院， 長沙 410082)

隨著電子集成技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的微型化和集成化已成為當今的主流趨勢，隨之出現(xiàn)的是電子設(shè)備熱流密度過大，局部熱點及散熱困難等問題，如何在有限的空間內(nèi)高效散熱成為新的難題[1]。然而，傳統(tǒng)風扇散熱體積大，效率低；浸沉式液冷散熱成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，維護困難,均不適合大范圍推廣[2]。環(huán)路熱管(loop heat pipe，LHP)作為一種被動式的兩相傳熱設(shè)備，利用工質(zhì)的蒸發(fā)冷凝相變來傳輸熱量，具有體積小，傳熱效率高，運行安全穩(wěn)定等優(yōu)點，是解決電子芯片散熱問題的優(yōu)良方案[3-4]。

傳統(tǒng)環(huán)路熱管由蒸發(fā)器(含儲液室)，冷凝器，汽線和液線構(gòu)成。作為環(huán)路熱管最核心的部件，蒸發(fā)器是工質(zhì)吸熱蒸發(fā)的位置，其內(nèi)部多孔毛細芯的毛細力和毛細芯兩端形成的壓差為工質(zhì)循環(huán)提供動力。目前，為進一步提高環(huán)路熱管的散熱能力和運行的穩(wěn)定性，學者們進行了大量的研究。張國棟等[5]將吸液芯與蒸發(fā)器底板分離形成蒸發(fā)腔，工質(zhì)僅在蒸發(fā)腔內(nèi)蒸發(fā)可以有效增大氣相壓頭驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)；楊臥龍等[6]利用雙孔毛細芯替代傳統(tǒng)的機械加工蒸汽槽道，強化了毛細芯處蒸發(fā)和沸騰換熱，并縮短了熱量向毛細芯的傳遞距離；Wu等[7]通過對不同槽道數(shù)的圓柱形毛細芯的性能測試，得到槽道數(shù)為14時熱性能最優(yōu)，相比于槽道數(shù)為8時熱性能提高約60%。此外，一些特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管也被設(shè)計并測試。Xie等[8]設(shè)計制造了一種雙儲液室環(huán)路熱管以減輕不同方向加速度時，蒸發(fā)器與儲液室相對位置對熱管性能的影響；Tang等[9]設(shè)計制造了一種反重力環(huán)路熱管，其液線填充有燒結(jié)銅粉，直接連接蒸發(fā)器毛細芯和冷凝器腔室，以防止熱管在反重力方向工作時蒸發(fā)器毛細芯燒干。

現(xiàn)設(shè)計一種無儲液室，液線內(nèi)填充有毛細芯的新型環(huán)路熱管。該結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面有效減小了蒸發(fā)器的體積，另一方面增大蒸發(fā)器和液線間的熱阻；通過實驗測試該新型環(huán)路熱管在水平狀態(tài)下的啟動和傳熱性能，并與相同條件下傳統(tǒng)平板式環(huán)路熱管的性能對比分析，最后針對該新型環(huán)路熱管的變工況及重力輔助條件下的運行性能進行測試分析。

1 實驗系統(tǒng)

液線毛細芯環(huán)路熱管和傳統(tǒng)環(huán)路熱管材質(zhì)為銅，毛細芯均采用銅粉燒結(jié)而成，蒸發(fā)器對比如圖1所示，上方為傳統(tǒng)環(huán)路熱管蒸發(fā)器，下方為液線毛細芯環(huán)路熱管蒸發(fā)器。兩種環(huán)路熱管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，除液線毛細芯和儲液室結(jié)構(gòu)不同外，其余參數(shù)相近，具體參數(shù)如表1所示。工質(zhì)均為無水乙醇，充液前真空度為2×10-2Pa。

表1 兩種熱管主要設(shè)計參數(shù)

圖1 兩種熱管的蒸發(fā)器實物圖(1∶2)Fig.1 Photographs of the evaporators for two LHPs (1∶2)

兩種系統(tǒng)的測溫點布置如圖2所示，具體位置如表2所示。測試過程中，模擬熱源為40 mm(長)×40 mm(寬)×30 mm(高)的加熱銅塊，使用設(shè)定溫度為20 ℃的恒溫水浴作為熱沉，在環(huán)路熱管各部件處設(shè)置精度為0.1 ℃的K型熱電偶以測量溫度，采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集模塊每5 s采集一組數(shù)據(jù)，每組實驗在180 s時開始加熱。

表2 兩種熱管測溫點位置

圖2 兩種熱管結(jié)構(gòu)及熱電偶位置Fig.2 Schematics of LHPs and thermocouples positions

將環(huán)路熱管穩(wěn)定運行的時間定義為啟動時間，穩(wěn)定運行后蒸發(fā)器底部中心溫度定義為運行溫度，運行溫度100 ℃時達到實驗溫度上限，停止加熱，系統(tǒng)未能成功啟動。同時，熱管溫控性能的優(yōu)劣通常用熱阻表示，一般熱阻越小其溫控性能越好，將熱阻R定義為[10]

(1)

式(1)中：Teva為蒸發(fā)器底板中心溫度；Tcond為冷凝器進出口平均溫度；Q為所加熱負荷。

2 實驗結(jié)果及分析

在實驗開始之前，在水平狀態(tài)下對新型液線毛細芯環(huán)路熱管和傳統(tǒng)環(huán)路熱管進行了充液率實驗，在10～150 W的負荷范圍內(nèi)，測得最佳充液率分別是：液線毛細芯環(huán)路熱管為25%，傳統(tǒng)環(huán)路熱管為45%，取此組充液率進行實驗。

2.1 水平狀態(tài)啟動、傳熱性能及對比

2.1.1 高/低負荷下啟動性能及對比

啟動性能包括了啟動時間、運行溫度和穩(wěn)定性等方面，會受到熱沉溫度、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、充液率等多種因素影響[11]。測試了水平狀態(tài)下液線毛細芯環(huán)路熱管和傳統(tǒng)環(huán)路熱管在10～150 W熱負荷時的啟動性能，每隔20 W進行一組測試。

水平狀態(tài)下熱負荷10 W和30 W時兩種熱管的啟動性能曲線如圖3所示。液線毛細芯環(huán)路熱管10 W時的啟動過程如圖3(a)所示，在480 s時冷凝器進口溫度T4開始升高，但在升至最高的過程中出現(xiàn)一小幅下降階段，這是由于氣線初始有液體集聚，低負荷啟動時蒸汽壓頭過小使得氣液分界面位于氣線，隨著分界面不斷向冷凝器推移，冷凝器內(nèi)原有的過冷工質(zhì)被推移至液線毛細芯進口處并使液線毛細芯進口溫度T6也出現(xiàn)一個下降階段，隨著蒸汽壓頭不斷變大，氣液分界面進入冷凝器，蒸汽進入冷凝器冷凝，冷凝器進口溫度再次升高，在1 500 s時運行溫度趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)成功啟動，穩(wěn)定運行溫度為46.8 ℃。液線毛細芯環(huán)路熱管30 W時的啟動過程如圖3(c)所示，啟動時間為740 s，運行溫度為51.2 ℃。傳統(tǒng)環(huán)路熱管在10 W和30 W時的啟動過程分別如圖3(b)、圖3(d)所示，均發(fā)生了不同周期和幅度的溫度振蕩。10 W啟動時的溫度振蕩幅度較大，周期較長，這是由于低負荷啟動時蒸汽產(chǎn)生速率小，蒸汽需要不斷積累，蒸汽壓頭逐漸變大后使得工質(zhì)進入冷凝器冷凝并回流至蒸發(fā)器，一次啟動后蒸汽腔內(nèi)蒸汽需要重新積累，冷凝器進口溫度重新下降，啟動時間為2 000 s，運行溫度為47.5 ℃。30 W啟動時的溫度振蕩幅度較小，周期較短，這是因為儲液室內(nèi)為氣液共存的飽和狀態(tài)，隨著過冷液的回流，氣態(tài)工質(zhì)迅速冷凝，導(dǎo)致儲液室內(nèi)的兩相狀態(tài)極不穩(wěn)定，系統(tǒng)溫度發(fā)生振蕩，啟動時間為550 s，運行溫度為50.6 ℃。Zhang等[12]和Wang等[13]的實驗中也出現(xiàn)了這兩類溫度振蕩。

Ti為液線毛細芯熱管測溫點溫度; T′i為傳統(tǒng)熱管測溫點溫度(i=1,2,…,9)圖3 低負荷時兩種熱管啟動性能曲線Fig.3 Temperature curves of the two LHPs during the startup process at low heat loads

從以上水平狀態(tài)下低負荷啟動性能對比可知，在低負荷時兩者運行溫度相近，但液線毛細芯環(huán)路熱管運行更穩(wěn)定。液線毛細芯環(huán)路熱管由于沒有儲液室，液線毛細芯進口處離蒸發(fā)器較遠，熱阻較大，導(dǎo)致蒸發(fā)器向液線毛細芯進口處漏熱較少，液線毛細芯進口處溫度較低，且處于過冷狀態(tài)，有效解決了傳統(tǒng)環(huán)路熱管在漏熱影響下，加熱時儲液室內(nèi)工質(zhì)氣化，達到氣液共存的飽和狀態(tài)以及難以與蒸汽腔形成足夠的壓差以供工質(zhì)循環(huán)的缺陷。

熱源在高負荷運行時，過大的熱流密度對熱管的散熱能力有更高的要求。實驗結(jié)果表明：液線毛細芯環(huán)路熱管成功啟動負荷上限為130 W，傳統(tǒng)環(huán)路熱管成功啟動負荷上限為150 W。

水平狀態(tài)下熱負荷130 W時兩種熱管的啟動過程如圖4所示。液線毛細芯環(huán)路熱管在240 s時冷凝器進口溫度開始升高，冷卻后的工質(zhì)回流導(dǎo)致液線毛細芯進口溫度下降。與傳統(tǒng)環(huán)路熱管的啟動性能曲線對比，傳統(tǒng)環(huán)路熱管運行溫度更低，但液線毛細芯環(huán)路熱管啟動時間更短，約為傳統(tǒng)環(huán)路熱管啟動時間的1/2。另外，穩(wěn)定運行時液線毛細芯進口溫度T6約為29 ℃，而傳統(tǒng)環(huán)路熱管的儲液室溫度T′7達到71 ℃。

Ti為液線毛細芯熱管測溫點溫度; T′i為傳統(tǒng)熱管測溫點溫度(i=1,2,…,9)圖4 130 W時兩種熱管啟動性能曲線Fig.4 Temperature curves of the two LHPs during the startup process at 130 W

2.1.2 啟動時間、運行溫度及熱阻的對比

兩種熱管不同負荷下啟動時間和運行溫度的對比曲線如圖5所示。從兩種熱管的啟動時間來看，整體都隨著熱負荷的增加先減少后增大，這是因為在負荷較小時，蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽產(chǎn)生較慢，形成足夠的蒸汽壓頭以使系統(tǒng)啟動的用時較長，隨著負荷變大，蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽產(chǎn)生速度加快，能更快地形成足夠大的蒸汽壓頭使系統(tǒng)啟動，但負荷繼續(xù)增大時，蒸發(fā)器更容易向液線毛細芯進口或儲液室漏熱，使毛細芯兩端難以形成足夠的壓差，延長了啟動時間；同時，除30 W和50 W負荷啟動外，液線毛細芯環(huán)路熱管的啟動時間均小于傳統(tǒng)環(huán)路熱管，特別是在10 W和高負荷啟動時優(yōu)勢更加明顯。從兩種環(huán)路熱管的運行溫度來看，兩者在90 W及以下負荷時的運行溫度始終相近，但在110 W及以上高負荷運行時，傳統(tǒng)環(huán)路熱管的運行溫度更低，且能在150 W負荷時成功啟動運行，液線毛細芯環(huán)路熱管最高可在130 W負荷時成功啟動運行，運行溫度為91.3 ℃，熱阻為0.33 K/W。不同負荷下兩種熱管的熱阻對比曲線如圖6所示。在50 W以下的低負荷運行時，液線毛細芯環(huán)路熱管的熱阻明顯低于傳統(tǒng)環(huán)路熱管；在50～90 W負荷運行時，兩者熱阻十分接近；在110 W及以上負荷運行時，液線毛細芯環(huán)路熱管的熱阻趨于穩(wěn)定，但傳統(tǒng)環(huán)路熱管熱阻仍有降低趨勢，這也印證了高負荷啟動時傳統(tǒng)環(huán)路熱管運行溫度更低，成功啟動的負荷上限更大的實驗結(jié)果。

圖5 不同負荷下啟動時間和運行溫度的對比Fig.5 Comparison of startup time and operating temperature under different loads

圖6 不同負荷下熱阻的對比Fig.6 Comparison of thermal resistance under different loads

2.2 水平狀態(tài)變工況運行特性

Ti為液線毛細芯熱管測溫點溫度(i=1,2,…,9)圖7 液線毛細芯熱管10～130 W變工況運行特性Fig.7 Operating characteristics of the novel LHP at 10～130 W under variable conditions

在熱管的實際運行過程中，熱源的負荷并非是一直不變的，熱管應(yīng)對不穩(wěn)定負載下的自適應(yīng)能力包括響應(yīng)速度，穩(wěn)定性等。水平狀態(tài)下液線毛細芯環(huán)路熱管10～130 W變工況運行特性曲線如圖7所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)最高的運行溫度為91.7 ℃，整個運行過程都能保證較快的響應(yīng)速度和較好的穩(wěn)定性，沒有溫度振蕩。隨著熱負荷的增加，液線毛細芯進口溫度出現(xiàn)先下降后穩(wěn)定的趨勢。先下降是因為隨著負荷增大，回流的過冷工質(zhì)增多，使此處溫度下降，但負荷超過70 W時，蒸發(fā)器向此處的漏熱量與回流液體的冷量達到平衡，導(dǎo)致此處溫度不再明顯變化，這也證明了即使在高負荷下，液線毛細芯進口溫度受蒸發(fā)器漏熱影響較小，能夠穩(wěn)定在一個較低的溫度值，更有利于在毛細芯兩端形成較大的壓差。

2.3 重力輔助時的運行性能

在重力輔助條件下，即冷凝器位于蒸發(fā)器上側(cè)時，液線側(cè)液體的重力會轉(zhuǎn)為系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的助力，使系統(tǒng)更容易啟動。在重力輔助角10°～30°時對液線毛細芯環(huán)路熱管運行性能進行測試。

液線毛細芯環(huán)路熱管在水平及重力輔助角10°、20°和30°時的運行性能曲線如圖8所示。當熱管以10°角運行時，其熱阻和運行溫度較水平運行有明顯的降低，同時可成功啟動負荷上限由130 W增至230 W，在230 W時，其運行溫度為95.3 ℃，熱阻為0.17 K/W；當重力輔助角增至20°時，其運行溫度與熱阻進一步降低，但降低幅度變小，可成功啟動負荷上限增至250 W，此時運行溫度為98.1 ℃，熱阻為0.14 K/W；重力輔助角由20°增至30°時，對整個系統(tǒng)的運行性能提升較小，可成功啟動負荷上限仍為250 W，熱阻和運行溫度與20°角接近。

圖8 不同重力傾角的熱阻與運行溫度Fig.8 Thermal resistance and operating temperature at different gravity-assisted angles

3 結(jié)論

設(shè)計制作了一種液線毛細芯結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管，它可應(yīng)用于有限空間的高熱密度芯片的服務(wù)器冷卻，并可對后續(xù)的環(huán)路熱管性能優(yōu)化提供新的方向。得到如下結(jié)論。

(1)傳統(tǒng)環(huán)路熱管在高負荷時運行溫度較低, 熱阻較小，但新型環(huán)路熱管的啟動時間更短，且在低負荷啟動時不會出現(xiàn)傳統(tǒng)環(huán)路熱管的溫度振蕩現(xiàn)象。

(2)水平狀態(tài)下新型環(huán)路熱管有良好的變工況運行性能，響應(yīng)較快，無溫度振蕩，且液線毛細芯進口溫度受負荷變化影響有限，可以維持在一個較低的溫度，利于系統(tǒng)在變工況下的迅速響應(yīng)和穩(wěn)定運行。

(3)新型環(huán)路熱管重力輔助運行時運行性能較水平運行有很大的提升，10°或20°重力輔助時運行性能提升明顯，重力傾角繼續(xù)增大時運行性能提升效果衰減。