熱管散熱器的實驗研究及溫度場數(shù)值模擬

陳 倩，莊勁武，江壯賢，武 瑾，孫逢欣

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熱管散熱器的實驗研究及溫度場數(shù)值模擬

陳 倩，莊勁武，江壯賢，武 瑾，孫逢欣

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

為了提高真空斷路器額定載流密度，對端子處安裝了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管散熱器的銅排通流2200A，進(jìn)行了溫度分布情況實驗研究。通過PT1000熱敏電阻探頭測得的各部分溫度分布情況，分析了在加裝熱管后的散熱效果。對熱管散熱的換熱過程進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，計算得到的溫度分布情況與實驗測得的數(shù)據(jù)吻合度較高，為提高散熱性能提供了參考依據(jù)。

熱管散熱器 傳熱 熱阻 數(shù)值計算

0 引言

熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，可在截面積并不是很大的情況下遠(yuǎn)距離地傳輸更多的熱量，同時保持溫差很小，因而能替代工作中形狀復(fù)雜且笨重的散熱器件。它已成為電子元器件熱控制應(yīng)用的有效裝置，在礦井降溫、電子元件冷卻及真空熱開關(guān)等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。

為了解決高壓大電流真空斷路器[2-3]體積大、開斷速度慢的缺陷，需要增大真空斷路器的額定載流密度，但這會帶來溫升過高的問題。為了使載流密度增大時，端子處溫度仍能滿足國軍標(biāo)要求，在端子處加入熱管散熱器來有效解決這一問題。本文通過實驗研究了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管，進(jìn)行了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管散熱器散熱性能的測試，并且建立了熱管散熱器的數(shù)學(xué)計算模型。

1 熱管散熱器的工作原理

本文所研究的是毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管散熱器，該熱管為毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管，其中的工作液體為酒精，管殼材料為銅，加上鋁材散熱鰭片形成熱管散熱器。

毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管是一根中空的銅管，內(nèi)壁上有吸液芯結(jié)構(gòu)，中間注有工作液體，熱管自身形成一個高真空封閉系統(tǒng)，沿軸向可分為三段，即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，如圖1所示[4-6]。熱源對熱管進(jìn)行加熱，在蒸發(fā)段使內(nèi)部工作液體相變?yōu)檎魵?，蒸氣越過絕熱段后抵達(dá)冷凝段，將所攜帶熱量傳遞給冷凝段熱管內(nèi)壁，通過熱傳導(dǎo)作用再將熱量輸送到貼附于熱管外壁上的金屬散熱片中。最后，借助散熱片與周圍冷卻空氣的自然對流傳熱過程將熱量從散熱片上帶走，而釋放出汽化潛熱的蒸氣則又相變?yōu)橐后w，通過吸液芯結(jié)構(gòu)回流到蒸發(fā)段再加熱汽化，不斷循環(huán)[7-9]。

2 實驗研究

2.1 實驗測試裝置及過程

兩端分別接有3 m長大銅排，大銅排的截面積為100 mm×10 mm。實驗過程中通以直流2200 A，待達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將散熱器安裝在熱源銅排上，如圖3所示，熱源是尺寸為85 mm×50 mm×5 mm的銅排。散熱器與銅排間涂有導(dǎo)熱硅脂來改善導(dǎo)熱的效果。實驗中，采用PT1000的熱敏電阻探頭進(jìn)行測量，各測量點示意圖如圖4。

2.2 實驗結(jié)果及討論

實驗測試了加入熱管前的銅排端子①、④兩處上下表面的溫度及其兩端的壓降。圖5反映的是①、④兩處上下表面的溫度，上下表面的溫差很小，可忽略，認(rèn)為上下表面溫度一致。