銅粉粒徑對燒結式熱管傳熱性能的影響*

李勇 陳春燕 揭志偉 曾志新

(華南理工大學機械與汽車工程學院∥表面功能結構先進制造廣東普通高校重點實驗室，廣東廣州510640)

熱管作為一種高效的導熱元件，近年來在各個領域備受青睞．常用熱管有溝槽式熱管［1-2］和燒結式熱管［3］．燒結式熱管具有較好的抗重力特性，因此在電子行業(yè)中的應用非常廣泛．文獻［4-8］對燒結式熱管的制造、結構及傳熱性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)影響燒結式熱管傳熱性能的主要因素為吸液芯的孔隙率和滲透率．文獻［9］中探討了不同形態(tài)銅粉燒結而成的毛細結構的孔隙率及力學性能．文獻［10］中對粒徑小于75 μm和粒徑在75～180 μm的球型銅粉燒結而成的熱管蒸發(fā)的情況進行了比較，發(fā)現(xiàn)粒徑較小的熱管蒸發(fā)端的熱阻較?。墨I［11］中比較了粒徑為5和45μm的銅粉分別與聚甲基丙烯酸甲酯混合燒結而成的吸液芯的微觀結構，發(fā)現(xiàn)混入粒徑為45μm的銅粉燒結而成的吸液芯孔隙率比較大，認為減少盲孔可提高吸液芯的性能．文獻［12］中研究了粒徑分別為大于37μm和小于37μm的電解沉積類銅粉，以及粒徑分別為小于37 μm、(68±5)μm和(96±8)μm的氧化還原(OR-100)、水霧化(WA)和氣體霧化(GA)類銅粉對平板熱管吸液芯的收縮率、孔隙率、最大空隙直徑、滲透率及熱管熱阻的影響，結果表明:粒徑越大，吸液芯的收縮率越小，孔隙率、最大空隙直徑和滲透率越大;粒徑為(68±5)μm時WA類銅粉燒結而成的吸液芯熱阻最?。墨I［13］中比較了厚度為1．1～1．85 mm 且燒結銅粉粒徑范圍為 80 ～110 μm、110 ～140 μm、140～170μm的吸液芯的孔隙率和力學性能，發(fā)現(xiàn)粒徑為140～170μm銅粉燒結而成的吸液芯力學性能好，毛細力比較大，回流阻力小，熱阻最小，粒徑范圍越小熱管的性能越好．文獻［14］將粒徑大小范圍分別為45～75μm、106～150μm、250～355μm 的銅粉燒結成厚度為0．6～1．2mm的吸液芯并進行了比較，結果發(fā)現(xiàn)粒徑為106～150 μm的銅粉燒結而成的吸液芯導熱率最大，熱阻最?。?/p>

可見，吸液芯的組成和厚度不同，最優(yōu)的銅粉粒徑范圍也不同［12-14］．從生產者角度來看，希望燒結式熱管的吸液芯越薄越好，以降低成本，但有關銅粉粒徑對薄壁熱管影響的研究較少，不同粒徑銅粉的混合比例及混合銅粉各自粒徑大小對吸液芯孔隙率及熱管傳熱性能的影響也未見報道．粒徑在109～180μm范圍內的水霧化銅粉形成的吸液芯熱阻比較?。?3-14］，文中擬對該范圍內銅粉粒徑的分布對吸液芯厚度為0．5～0．6mm的圓形薄壁燒結式熱管傳熱性能的影響進行研究，將粒徑范圍分別為(114．5±5．5)μm、(135±15)μm 和(165 ±15)μm 的銅粉按不同比例混合，改變燒結銅粉的粒徑分布，探討銅粉的粒徑大小和分布對燒結式熱管傳熱性能的影響．

1 實驗

文中實驗管的吸液芯是由水霧法制作的銅粉燒結而成，銅粉密度 ρcopper=8．9 g/cm3，粒徑分別為(165±15)μm、(135±15)μm 和(114．5±5．5)μm，實驗中這3種粒徑的銅粉分別命名為A、B和C;將這3種銅粉兩兩進行混合，得到銅粉ABxy、ACxy和BCxy，其中 x=3，y=7;x=7，y=3．將上述 9 種粒徑的銅粉分別填入外徑D為5、6和8 mm(分別記為D5、D6和D8)的銅管，做好標記，并在930℃下燒結2h．吸液芯的厚度δ、管壁的厚度α及未填銅粉的光管質量mo如表1所示．

表1 熱管尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of heat pipes

用灌注抽真空法［15］使熱管填充一定量的水作為工質，并使內部的氣壓在80 Pa以下，接著用二次除氣工藝除去剩余的不凝結氣體，測出每種管內剩余工質的質量．

圖1 不同粒徑銅粉的燒結式吸液芯的SEM圖Fig．1 SEM of sintered powder wicks with different copper particle sizes

不同粒徑銅粉燒結而成的吸液芯的SEM見圖1．圖2為熱管測試的實驗裝置，熱管長度l為200mm，加熱端和冷凝端各由兩塊銅塊夾緊，銅塊大小為50mm×30mm×13mm．加熱端通過控制加熱棒對銅塊進行加熱實現(xiàn)功率輸入，冷凝端通過50℃的恒溫水對銅塊進行冷卻．用熱電偶測量熱管的加熱端兩點的溫度Te1、Te2和冷凝端兩點的溫度Tc1、Tc2．熱管與銅塊之間涂上硅膠，以減小接觸熱阻，熱電偶的分布如圖3所示．

圖2 實驗裝置Fig．2 Experimental setup

圖3 熱電偶分布(單位:mm)Fig．3 Thermocouple distribution(Unit:mm)

熱管初始輸入功率P為10W，通過熱管功率測試系統(tǒng)，記錄下熱管在不同功率下的穩(wěn)態(tài)數(shù)據，熱管正常工作時蒸發(fā)端溫差ΔTe＜1℃，熱管沒有穩(wěn)定工作時，加熱端一端點的溫度Te1不停上升，當ΔTe＞3℃時，判定熱管燒干．熱管正常工作能達到的最大功率定為熱管的極限傳輸功率(MHTP)．

2 實驗結果與分析

2．1 銅粉粒徑對孔隙率及MHTP的影響

吸液芯的孔隙率ε可由空隙的體積Vpore和吸液芯的總體積Vtotal求出，即

設mcopper為銅粉的總質量，則

設ms為燒結管的質量，則

孔隙率為

從式(6)可以看出吸液芯的孔隙率與燒結后熱管的質量呈負相關，ms越小，孔隙率ε越大．

圖4給出了填好粉末的D5、D6和D8銅管燒結后的質量，其中dave為銅粉的平均粒徑．從圖4可以看出，各條曲線有相同的變化趨勢．銅粉沒有進行混合時，銅粉粒徑范圍比較集中，如 A、B和 C．從式(6)和表1可以算出，C類和A類銅粉燒結成D5、D6和D8熱管中的吸液芯孔隙率分別為65．0%、64．2%、66．6% 和 73．2%、73．0%、74．7%．可見，A相對于C的平均粒徑增加44．1%時，D5、D6和D8熱管中的吸液芯孔隙率可分別增加8．2%、8．8%和8．10%．將銅粉進行混合后，燒結管的質量變化主要有兩種方式:(1)將平均粒徑相差比較大的銅粉進行混合時，混入的大粒徑銅粉比例越大，燒結管的質量越小，即生成的吸液芯的孔隙率越大，如曲線C-AC37-AC73-A和曲線B-AB37-AB73-A;(2)將平均粒徑相差比較小的銅粉進行混合時，銅粉形狀的影響比較大，燒結管質量變化比較復雜，如曲線C-BC37-BC73-B．

圖4 不同外徑燒結管的質量Fig．4 Mass of sintered pipes with different outer diameters

表2給出了不同粒徑銅粉的燒結式熱管的MHTP對比，燒結銅粉的粒徑對熱管的MHTP的影響很大;當粒徑在109～180μm的范圍內，銅粉平均粒徑越大，熱管能夠達到的MHTP越大，A的平均粒徑相對于 C增加44．1%時，D8、D6和 D5熱管的MHTP分別增加25、10和5W．

表2 不同粒徑銅粉的燒結式熱管的MHTP比較Table 2 Comparison of MHTP of sintered heat pipes with different copper particle sizes

將不同粒徑的銅粉進行混合時，熱管的MHTP會略微下降．小粒徑銅粉占70%時，熱管的MHTP基本上是最小的，與大粒徑銅粉的燒結式熱管相比，D5、D6和D8熱管的MHTP最大分別減少了10、15和50W．小粒徑銅粉比例相同時，將C換成B，D5、D6和D8熱管的 MHTP最大可分別減小5、5和25W．大粒徑銅粉占70%時，其熱管的MHTP僅次于純大粒徑銅粉的熱管的MHTP．造成這種現(xiàn)象的原因是:對于大粒徑銅粉燒結而成的熱管，其孔隙率比較大，工質回流時的阻力小，毛細抽吸力較高［16］，加熱功率較大時，工質能及時通過吸液芯回流到蒸發(fā)端，從而實現(xiàn)大功率的傳輸;相反，粒徑小的銅粉燒結而成的熱管達到的MHTP較?。煌酱笮〉你~粉進行混合后，大粒徑銅粉堆積形成的空隙會被小粒徑銅粉填充堵塞，孔隙率下降，毛細抽吸力變小，因此MHTP也下降，并且混入的小粒徑銅粉比例越大或粒徑越小，堵塞會越嚴重．可見，要提高熱管的MHTP，應使銅粉粒徑范圍盡量小，以避免因粒徑不同而造成間隙相互堵塞．

2．2 銅粉粒徑對冷凝端溫差的影響

冷凝端溫差ΔTc=Tc1－Tc2，圖5給出了不同粒徑銅粉燒結而成的熱管的冷凝端溫差，其中D5、D6和 D8 熱管的冷凝端溫差分別表示為 ΔTc，5、ΔTc，6和ΔTc，8，工質的質量分別為 0．71、0．83 和 1．21 g．由圖5可以看出，冷凝端的溫差隨輸入功率的增大而增大．相同外徑、不同粒徑的銅粉燒結而成的熱管的冷凝端溫差差別比較小，D5、D6和D8熱管的冷凝端溫差的差別分別小于 0．8、1．0 和1．5℃．

圖5 不同粒徑銅粉燒結成的熱管冷凝端溫差Fig．5 Temperature difference on condensation of heat pipes sintered by different-size particles

從圖5(a)可以看出，輸入功率為10～60W時，填充A銅粉的各類外徑的熱管的冷凝端溫差都是最小的，填充C銅粉的最大，A的平均粒徑相對于C增加44．1%時，可以使D5、D6和D8熱管的冷凝端溫差分別減小 47．6%、57．4%和 46．0%．從圖 5(b)、5(c)和5(d)可知:不同外徑的熱管的冷凝端溫差隨著銅粉變化的規(guī)律不相同;隨著輸入功率的增加，外徑為8mm的熱管的冷凝端溫差出現(xiàn)了減小的情況，較多出現(xiàn)先減小后增加再減小的現(xiàn)象，而此現(xiàn)象在外徑為5、6mm或MHTP較低且外徑為8mm的熱管中均未出現(xiàn)．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于:工質的質量相同時，不同粒徑銅粉的燒結式吸液芯的儲液量不同．如圖6所示，當銅粉粒徑較大時，吸液芯的孔隙率較大，能夠存儲的工質較多;當銅粉粒徑較小時，容易在吸液芯外部殘留多余的工質，熱管正常工作時，這些工質會被蒸氣帶到冷凝端，加上孔隙率較小時工質回流受到的阻力較大，工質會留在冷凝端而發(fā)生阻塞，從而使冷凝端的熱阻變大，溫差較大．將不同粒徑范圍的銅粉進行混合，銅粉與銅管壁之間的接觸狀態(tài)較多樣化，因此同一種銅粉在不同外徑的熱管內的分布也不同．熱管功率較高時，內部氣液變化比較劇烈且難以預測，所以冷凝端溫差會出現(xiàn)時大時小的現(xiàn)象．

圖6 大、小粒徑銅粉燒結成的吸液芯中工質的分布Fig．6 Distribution of working fluid in wicks sintered by large-size particles and small-size particles

2．3 銅粉粒徑對總熱阻的影響

文中定義總熱阻

式中，Te，ave和 Tc，ave分別為熱管加熱端和冷凝端的平均溫度．

圖7給出了不同粒徑銅粉燒結而成的熱管總熱阻的變化情況，可以看出:銅粉粒徑對熱管總熱阻的影響較小，相同外徑的熱管在相同功率條件下的熱阻最大相差僅0．03℃/W．填充A銅粉的D5和D6熱管的總熱阻最小，填充C銅粉的熱管的總熱阻最大;A的平均粒徑相對于C增加44．1%時，D5和D6熱管的總熱阻可分別減少20．7%和54．3%;D8熱管的總熱阻比較小，不同粒徑銅粉燒結而成的熱管的總熱阻相差小于5%．不同粒徑銅粉混合后，熱管的總熱阻隨輸入功率的變化規(guī)律在不同外徑中是不相同的．

圖7 不同粒徑銅粉燒結的熱管總熱阻Fig．7 Total thermal resistance of heat pipes sintered by different size particles

3 結論

文中將不同粒徑的銅粉進行混合，探討銅粉粒徑和配比對吸液芯孔隙率和熱管傳熱性能的影響，得到如下結論:

(1)銅粉粒徑對吸液芯孔隙率和熱管MHTP的影響比較大．銅粉粒徑比較集中時，A的平均粒徑相對于C增加44.1%，可以使D5、D6和D8熱管的孔隙率分別增加8.2%、8.8%和8.1%，MHTP分別增加5、10和25W．

(2)銅粉粒徑對熱管冷凝端溫差和總熱阻的影響較?。诓话l(fā)生燒干的情況下，不同粒徑銅粉燒結而成的D5、D6和D8熱管，冷凝端溫差的差別分別小于0.8、1.0和1.5℃，總熱阻相差小于0.03℃/W，平均粒徑越大，熱管的冷凝端溫差和總熱阻越小．

(3)銅粉粒徑范圍應盡量小，以減小因粒徑不同而造成的間隙相互堵塞．當小粒徑銅粉占70%時，熱管的MHTP是最小的，與大粒徑銅粉燒結而成的熱管相比，D5、D6和D8熱管的MHTP可分別減少10、15和50W．當小粒徑銅粉比例相同時，將C換成B，D5、D6和D8熱管的MHTP可分別減少5、5和25 W．當大粒徑銅粉占70%時，燒結式熱管的MHTP僅次于全部為大粒徑銅粉的燒結式熱管的MHTP．將不同粒徑范圍的銅粉進行混合時，熱管的總熱阻和冷凝端溫差的變化規(guī)律存在不確定性．

(4)銅粉粒徑為(165±15)μm的水霧化銅粉適用于制作吸液芯厚度為0．5～0．6mm的薄壁燒結式熱管．

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