仿葉脈均熱板的傳熱性能實驗研究

徐增光，彭 毅，焦會馨

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

隨著電子及信息技術(shù)的快速發(fā)展以及航天產(chǎn)品性能要求的不斷提高，航天電子設備逐漸朝著高性能、高集成和微型化的方向發(fā)展[1]，導致其單位面積熱流密度急劇增加。而電子設備內(nèi)部熱量聚集會顯著降低其工作性能，嚴重時甚至會導致器件疲勞損傷[2-3]。因此，如何有效降低電子設備工作過程中的高熱流密度至關(guān)重要。液-氣相變作為一種高效的傳熱方式已經(jīng)被廣泛應用于大功率電子元件的熱管理，例如熱管就是一種基于相變傳熱的主動冷卻技術(shù)；然而由于接觸面積和傳熱空間的限制，傳統(tǒng)熱管往往只能實現(xiàn)一維導熱。

基于平面熱管的概念，均熱板提供了一種極具應用前景的解決方案。而將均熱板應用于高熱流密度傳熱的關(guān)鍵是不斷提高其內(nèi)部吸液芯的傳熱性能。隨著對工質(zhì)和吸液芯結(jié)構(gòu)中毛細流動機理研究的不斷深化，研究人員對吸液芯的結(jié)構(gòu)設計進行了探索，設計出溝槽吸液芯[4]、粉末燒結(jié)吸液芯[5]及復合吸液芯[6]等。除此之外，仿生結(jié)構(gòu)也在均熱板吸液芯研究中得到關(guān)注：李錦峰等[7]將蜂巢結(jié)構(gòu)應用到均熱板吸液芯中，采用數(shù)值分析方法對仿蜂巢結(jié)構(gòu)蒸汽通道的蒸發(fā)端吸液芯結(jié)構(gòu)進行模擬發(fā)現(xiàn)，仿蜂巢通道為氣液相工質(zhì)提供了多條流動路徑，使均熱板具有更優(yōu)異的溫度均勻性和傳熱性能。彭毅等[8-10]受植物葉片蒸騰作用啟發(fā)，使用化學刻蝕法制備了一種仿葉脈分形結(jié)構(gòu)的吸液芯；并通過理論計算、模擬仿真以及實驗分析等方法對均熱板傳熱性能進行研究，結(jié)果表明仿葉脈分形結(jié)構(gòu)均熱板具有優(yōu)異的傳熱性能。基于植物葉脈分形仿生的思路，研究人員陸續(xù)進行了大量的研究[11-13]，但是已有的研究中均熱板所能承載的熱流密度仍然偏小[14]。因此，通過探索植物葉片的傳熱傳質(zhì)機制，優(yōu)化吸液芯結(jié)構(gòu)，改善均熱板的結(jié)構(gòu)特征從而提高其所能承載的熱流密度[15]，仍是研究人員亟需解決的難題。

本研究在前期研究的基礎上，通過對植物網(wǎng)格狀葉脈進行仿生，將蒸發(fā)端的吸液芯設計為仿植物網(wǎng)狀葉脈結(jié)構(gòu)，冷凝端通過燒結(jié)粉末形成吸液芯結(jié)構(gòu)，設計了兩種新型的均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)：一種以多邊形葉脈作為均熱板內(nèi)部支撐以及工質(zhì)回流通道，多邊形作為蒸汽腔（VC-B）；另一種以多邊形作為支撐結(jié)構(gòu)和工質(zhì)回流通道，多邊形葉脈作為蒸汽腔（VC-G）。然后對這兩種結(jié)構(gòu)進行對比研究，并探究充液率以及冷卻水溫度對均熱板傳熱性能的影響規(guī)律。

1 實驗材料與方法

1.1 均熱板的制備

本研究在模擬中對植物葉脈系統(tǒng)進行了簡化，如圖1 所示。為了防止均熱板在抽真空后出現(xiàn)變形，需要用支撐柱在內(nèi)部對均熱板進行支撐。本研究設計的網(wǎng)狀葉脈結(jié)構(gòu)使支撐柱與吸液芯合構(gòu)為一體，起到支撐作用的同時為工質(zhì)回流提供通道，并可實現(xiàn)氣液分離。多邊形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)通過泰森多邊形隨機生成，用來模擬植物網(wǎng)狀葉脈，葉脈的寬度為2 mm，高度為1 mm；用多邊形網(wǎng)狀葉脈中間的燒結(jié)粉末來模擬葉肉組織。均熱板的冷凝端和蒸發(fā)端殼板均為1 mm 厚的紫銅板，充液管為外徑3 mm、壁厚0.5 mm 的紫銅管，直接焊接在殼體上。均熱板整體尺寸為74 mm×74 mm×5 mm，內(nèi)部吸液芯與蒸汽腔的厚度為3 mm。

圖1 植物葉片結(jié)構(gòu)簡化模型Fig.1 Simplified model of plant leaf structure

本研究中均熱板的吸液芯采用銅粉燒結(jié)形成，需要在石墨板上加工出吸液芯的燒結(jié)模具。考慮到均熱板吸液芯內(nèi)部流通與毛細力的平衡[5]，選取200 目的純銅粉（粒徑約為75 μm）均勻填充到石墨模具中，再放入真空熱壓爐進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為840 ℃。燒結(jié)出的吸液芯樣品如圖2 所示，將它們組裝為基于植物網(wǎng)狀葉脈仿生的均熱板，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 銅粉燒結(jié)樣品Fig.2 Copper powder sintered samples

圖3 基于網(wǎng)狀葉脈的仿生均熱板結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of bionic vapor chamber based on reticulated leaf vein

1.2 實驗裝置

實驗測試平臺如圖4 所示，主要包括加熱模塊、冷卻模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和升降模塊。加熱模塊由加熱棒、加熱塊、保溫盒、直流電源及功率儀組成。加熱塊材料為純銅，用于模擬熱源；采用隔熱材料制作保溫盒，并在保溫盒與加熱塊之間填充保溫棉，以減小熱量損失、降低實驗誤差。為減小接觸熱阻，在加熱塊與均熱板之間以及均熱板與水冷板之間涂抹導熱系數(shù)為6.0 W/(m·K)的導熱硅脂。冷卻模塊采用型號為DC0530 的智能恒溫水浴槽外接水冷板，恒溫水浴槽的溫度控制范圍為-5～100 ℃，冷卻水流量為13 L/min。數(shù)據(jù)采集模塊由K 型熱電偶、數(shù)據(jù)采集卡及計算機組成。升降模塊主要用來夾緊均熱板，以減小測試過程中的接觸熱阻。

圖4 實驗測試平臺Fig.4 Experimental test platform

為了研究均熱板在不同熱流密度下的熱阻以及均溫性能，測試時首先啟動加熱模塊為均熱板加熱，啟動功率為10 W，并記錄均熱板各測試點的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。其中加熱塊（尺寸為10 mm ×10 mm）及測溫熱電偶的布置如圖5 所示。按照梯度10 W 調(diào)節(jié)熱源功率，直到熱源溫度達到設定的溫度時停止測試。另外，可通過恒溫水浴槽的溫度調(diào)節(jié)，研究均熱板在不同冷卻水溫度下的傳熱性能。

圖5 加熱塊及熱電偶的布置位置Fig.5 Layout of heating block and thermocouples

當電子元器件溫度超過85 ℃時，其工作性能就會急劇下降[16]。因此，本研究中將熱源溫度設定為85 ℃。為了評價均熱板的傳熱性能，設定均熱板整體熱阻RVC、冷凝端表面最大溫差ΔTc，max以及蒸發(fā)端與冷凝端平均溫差ΔTe, c為評價參數(shù)，分別定義為：

式(1)～(3)中：Te, ave和Tc, ave分別為均熱板蒸發(fā)端和冷凝端測溫點的平均溫度；Q為輸入功率。

2 實驗結(jié)果與討論

改變測試條件，記錄仿葉脈均熱板各測溫點的溫度變化，并對均熱板熱阻、冷凝端表面最大溫差以及蒸發(fā)端與冷凝端平均溫差進行計算，詳細討論均熱板在不同充液率、熱流密度和冷卻水溫度下的傳熱性能。

2.1 結(jié)構(gòu)對傳熱性能的影響

兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻如圖6(a)所示，在10 ℃冷卻水溫度下，兩種均熱板均能承載120 W/cm2的高熱流密度，說明本研究中吸液芯擁有的多孔結(jié)構(gòu)可以為工質(zhì)提供大量的汽化核心，強化沸騰傳熱，提升均熱板的傳熱性能；但VC-G 均熱板的熱阻整體低于VC-B 均熱板的，且VC-G 均熱板在10 ℃的冷卻水溫度下所能承載的最大熱流密度為125 W/cm2，當熱流密度為120 W/cm2時VC-G 均熱板的熱阻最低僅為0.118 8 ℃/W。其原因主要為VC-G 均熱板的冷凝端具有流動通道結(jié)構(gòu)以及更密集的回流通道，當蒸汽在冷凝端釋放潛熱凝結(jié)成液體時能夠更加快速地回到蒸發(fā)端，即VC-G 均熱板的內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)速率更快，更有利于熱量的傳遞，因此熱阻更低。

圖6 冷卻水溫度為10 ℃下兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻及冷凝端表面最大溫差對比Fig.6 Comparison of thermal resistance and maximum temperature difference on condenser surfaces of two types of vapor chambers with a cooling water temperature of 10 ℃

為對比評價均熱板的均溫性能，選取兩種結(jié)構(gòu)的均熱板樣品，并將充液率控制在60%左右，比較它們在10 ℃冷卻水溫度下的冷凝端表面最大溫差ΔTc, max，結(jié)果如圖6(b)所示。

熱負荷啟動后，VC-B 和VC-G 均熱板的冷凝端表面最大溫差均隨著熱流密度的增大而增加，不同熱流密度下VC-B 均熱板的冷凝端表面最大溫差均低于VC-G 均熱板的，且前者隨著熱流密度的增大而增加的速度低于后者。這是由于VC-G 均熱板內(nèi)部蒸汽腔的體積小于VC-B 均熱板的，導致工質(zhì)受熱蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽不能在VC-G 均熱板蒸汽腔內(nèi)均勻分布[16]，造成局部高溫。

再對比40 ℃冷卻水溫度下兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻及冷凝端表面最大溫差，結(jié)果如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)均熱板這兩項參數(shù)的變化均與10 ℃冷卻水溫度下的表現(xiàn)一致。表明兩種結(jié)構(gòu)擁有各自的優(yōu)勢：VC-G 均熱板可以承載更大的熱流密度，但均溫性較差；VC-B 均熱板則與之相反。

圖7 冷卻水溫度為40 ℃下兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻及冷凝端表面最大溫差對比Fig.7 Comparison of thermal resistance and maximum temperature difference on condenser surfaces of two types of vapor chambers with a cooling water temperature of 40 ℃

2.2 充液率對于均熱板傳熱性能的影響

研究表明充液率對均熱板的傳熱性能有很大影響：低充液率可能導致較低的極限熱流密度，而較高充液率可能會降低均熱板的傳熱效率[17]。圖8(a)為VC-B 均熱板在10 ℃冷卻水溫度、不同充液率下的熱阻，可以看到：充液率40.11%的均熱板熱阻最大，極限熱流密度最低，為100 W/cm2；在熱流密度小于35 W/cm2時，充液率為48.51%的均熱板熱阻最小；而在較高熱流密度下，充液率為60.82%的均熱板熱阻最小，可低至0.128 3 ℃/W，此時承載的最大熱流密度為120 W/cm2。即在實驗工況內(nèi)，VC-B 均熱板的最佳充液率約為60%，這與文獻[17]給出的結(jié)論一致。分析是由于充液率較低時，均熱板在低熱流密度下啟動更快；而當熱流密度繼續(xù)增加時，低充液率的均熱板會出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，其內(nèi)部難以形成完整的汽-液循環(huán)，將增大熱阻[18]。而當充液率高于最佳值時，液體會在蒸發(fā)端積聚堵塞吸液芯孔隙，導致均熱板的熱阻增大，傳熱效率降低；同時，多出的工質(zhì)會被蒸汽上升攜帶而影響工質(zhì)回流，而且蒸發(fā)端工質(zhì)層較厚，蒸發(fā)熱阻變大，難以形成核沸騰，即相變受限。

圖8 冷卻水溫度為10 ℃、不同充液率條件下VC-B 均熱板的熱阻及蒸發(fā)/冷凝端平均溫差隨熱流密度的變化Fig.8 Variation of thermal resistance and average temperature difference of evaporating/condensing end of VC-B vapor chamber with different liquid filling rates versus heat flux with a cooling water temperature of 10 ℃

圖8(b)為VC-B 均熱板在10 ℃冷卻水溫度、不同充液率下的蒸發(fā)端與冷凝端平均溫差（ΔTe, c）?？梢钥吹?，隨著熱負荷功率的增加，ΔTe, c逐漸增大。當熱源溫度接近85 ℃時，充液率為60.82%的均熱板的ΔTe, c的上升速率最小，充液率為40.11%的均熱板的ΔTe, c的上升速率最大。即低充液率的均熱板相比于高充液率的在高熱流密度下ΔTe, c的增速更快。分析其原因，可能是充液率較低時，均熱板內(nèi)部汽化的蒸汽滿足不了正常在整個腔體內(nèi)循環(huán)傳熱的最小值，使均熱板出現(xiàn)局部過熱、局部過冷的溫度分布不均衡情況，從而出現(xiàn)熱源溫度過高，蒸發(fā)端與冷凝端溫差急劇增大；當充液率增大，熱負荷啟動初期，多余的工質(zhì)阻礙了液體和蒸汽在蒸發(fā)區(qū)的流動，而隨著熱流密度的增加，更多的工質(zhì)參與相變進行傳熱[19]，均熱板中蒸汽和液體的流動效率得到增強。

2.3 冷卻水溫度對于均熱板傳熱性能的影響

為了研究冷卻水溫度對均熱板傳熱性能的影響，選取充液率為66.47%的VC-G 均熱板，通過控制智能恒溫水浴槽對其在不同冷卻水溫度下進行測試，結(jié)果如圖9 所示。

圖9 不同冷卻水溫度下VC-G 均熱板（充液率為66.47%）的熱阻與冷凝端表面最大溫差隨熱流密度的變化Fig.9 Variation of thermal resistance and maximum temperature difference of condenser surface of VC-G vapor chamber with a liquid filling rate of 66.47%versus heat flux at different cooling water temperatures

由圖9 可以看出，冷卻水溫度為10 ℃時，VC-G均熱板所能承載的最大熱流密度為130 W/cm2；當冷卻水溫度逐漸升高時，均熱板所能承載的最大熱流密度依次降低。在10 ℃冷卻水溫度下，熱流密度為110 W/cm2時，VC-G 均熱板的熱阻達到最低，為0.109 1 ℃/W。冷卻水溫度為20 ℃和30 ℃時，均熱板的熱阻變化趨勢幾乎一致，說明在該溫度范圍內(nèi)冷卻水溫度對均熱板的傳熱性能影響較小。當冷卻水溫度為40 ℃時，均熱板的熱阻低于冷卻水溫度為20 ℃和30 ℃時的，其原因可能是溫度升高使均熱板內(nèi)部工質(zhì)的黏度降低，提高了工質(zhì)在均熱板內(nèi)部的流動性[6]，從而提高了均熱板的換熱效率。均熱板的均溫性能表現(xiàn)（如圖9(b)所示）可以給出類似的解釋——當冷卻水溫度升高時，均熱板內(nèi)部工質(zhì)黏度降低，更有利于工質(zhì)均勻分布在蒸發(fā)端；當熱負荷啟動，蒸發(fā)端的工質(zhì)均勻受熱蒸發(fā)，冷凝端表現(xiàn)出更好的溫度均勻性。

2.4 與其他研究對比

為全面了解本研究設計的VC-G 均熱板的傳熱性能，與其他同類研究進行了比較分析，歸納如表1 所示。為方便敘述，本文以編號1～3 指代其他研究及其設計的均熱板。

表1 不同均熱板傳熱性能對比Table 1 Comparison of heat transfer performances of different vapor chambers

由表1 可以看到：與研究1 相比較，VC-G 均熱板在5 mm 的厚度（約為研究1 中均熱板厚度的2 倍）下仍然可以承載130 W/cm2熱流密度，且最低熱阻達到0.109 1 ℃/W。研究2 中均熱板屬于混合型傳熱，冷卻水通道嵌入蒸汽腔中，雖然具有更低的熱阻，但尺寸較大，且在最大熱流密度時，熱源溫度為95.25 ℃（高于VC-G 均熱板的85 ℃）；此外，研究2 中均熱板需要額外的能量輸入，成本更高。相較于研究3，VC-G 均熱板所能承載的最大熱流密度和最低熱阻等傳熱性能指標均更優(yōu)。

3 結(jié)論

本文設計了兩種均熱板結(jié)構(gòu)，對比了它們的傳熱性能，并研究了不同充液率以及冷卻水溫度下均熱板的傳熱情況，得出以下結(jié)論：

1）銅粉燒結(jié)式的仿生網(wǎng)狀葉脈吸液芯結(jié)構(gòu)擁有的多孔結(jié)構(gòu)可以為工質(zhì)提供大量的汽化核心，強化沸騰傳熱，同時多邊形葉脈作為支撐結(jié)構(gòu)為工質(zhì)提供了大量回流通道，且能夠?qū)崿F(xiàn)氣液分離，使均熱板表現(xiàn)出良好的傳熱性能。VC-G 相較于VC-B結(jié)構(gòu)傳熱性能表現(xiàn)更為優(yōu)異。

2）充液率會對均熱板傳熱性能產(chǎn)生較大的影響，過高或過低的充液率都會降低均熱板的傳熱效率。VC-B 均熱板在充液率60%左右時傳熱性能最優(yōu)，所能承載的最大熱流密度為120 W/cm2。

3）冷卻水溫度對均熱板傳熱性能具有重要的影響，過低的冷卻水溫度會導致均熱板表面均溫性下降，但熱阻整體較低。VC-G 均熱板在10 ℃冷卻水溫度下所能承載的熱流密度最大為130 W/cm2，熱阻最低為0.109 1 ℃/W。

綜上，本研究設計的VC-G 均熱板與其他同類研究相比，綜合傳熱性能指標展現(xiàn)出優(yōu)勢，具有實用價值。