仿葉脈分形結(jié)構(gòu)在均熱板蒸發(fā)端的實驗研究*

劉旺玉 王力 羅遠強

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

仿葉脈分形結(jié)構(gòu)在均熱板蒸發(fā)端的實驗研究*

劉旺玉 王力 羅遠強

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

基于植物葉片蒸騰作用帶走大量熱的特性,提出了新型仿葉脈分形結(jié)構(gòu)用以優(yōu)化均熱板的熱結(jié)構(gòu),研究了葉片葉脈分形結(jié)構(gòu)吸液芯在蒸發(fā)端的傳熱效果,通過化學(xué)腐蝕制作均熱板進行試驗,分析均熱板蒸發(fā)端底板下表面與腔內(nèi)蒸汽溫度的溫差變化情況并計算各部分的熱阻,比較仿葉脈分形結(jié)構(gòu)吸液芯在4種分形角度(30°、40°、50°、60°)時的熱特性.實驗結(jié)果表明,分形角度為40°與50°的結(jié)構(gòu)溫差變化不大,均小于分形角度為30°與60°的結(jié)構(gòu),即其結(jié)構(gòu)熱阻更小,工質(zhì)傳熱與輸送性能更好.

均熱板;仿葉脈分形結(jié)構(gòu);傳熱

隨著光電科技的迅猛發(fā)展,電子元器件向著微小化與高度集成化發(fā)展,其工作產(chǎn)生的熱流密度也越來越大,普通的冷卻手段越來越難滿足其散熱需求[1-2].均熱板起源于熱管,又因其良好的均溫性與導(dǎo)熱性而被廣泛用于電子產(chǎn)品的散熱[3-5].

均熱板中吸液芯結(jié)構(gòu)主要有粉末燒結(jié)、溝槽、絲網(wǎng)燒結(jié)、仿生型與復(fù)合型等[6-10].自然界植物葉片的蒸騰作用與均熱板的傳熱與傳質(zhì)過程極其相似.水通過葉脈以及多孔介質(zhì)流到整個葉片,在氣孔腔表面發(fā)生相變,水蒸氣最后經(jīng)由氣孔傳出,整個過程中帶走大部分熱量.而均熱板的熱量則由蒸發(fā)端傳入,傳到吸液芯,液態(tài)工質(zhì)相變傳熱,最后到冷凝段冷卻從而帶走熱量.彭毅[11]以植物葉脈系統(tǒng)為研究對象,研究其流動與傳熱性能,并引入葉脈吸液芯結(jié)構(gòu),將其用于冷凝段,實驗發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的熱阻比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更小,且均溫性與傳熱性能更優(yōu).Wang等[7]研究了對稱與非對稱結(jié)構(gòu)的樹形與葉脈分形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳熱與傳質(zhì)性能,發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)中壓力與壓降的分布差異明顯,而葉脈分形結(jié)構(gòu)的綜合性能更加優(yōu)越.植物葉脈經(jīng)電鏡觀測為表面多孔結(jié)構(gòu),在水分傳輸中會有部分水通過多孔結(jié)構(gòu)擴散到葉脈附近,因此均熱板蒸發(fā)端上吸液芯結(jié)構(gòu)設(shè)計中以多微凸臺組成主流道,多孔壁的葉脈分形結(jié)構(gòu)流動更加復(fù)雜.Peng等[12]在研究葉脈分形中引入槽道壁滲透的概念,這種多滲透結(jié)構(gòu)擁有更好的傳熱與工質(zhì)輸送性能.

文中將植物葉脈分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于均熱板蒸發(fā)端,并探討其分形角度對蒸發(fā)端傳熱與流動的影響.

1 理論計算

1.1 葉脈分形理論

Murray[13]根據(jù)最優(yōu)原理即生物體以最小的能量維持血液循環(huán),提出了著名的Murray定律：

(1)

式中,d為上級血管直徑,d1、d2為上級血管分支出來的管道直徑.該定律同樣適用于非生命系統(tǒng).對于對稱分形結(jié)構(gòu),劉代偉[14]在分叉微通道散熱器的研究中計算并驗證了在體積不變時的流阻最小化優(yōu)化原則,其最佳分叉角度為75°,但在加入熱源外界條件下,當(dāng)分形角度為50°時結(jié)構(gòu)的綜合散熱性能最理想.徐國強等[15]在分叉微通道的流動與換熱特性研究中對比了4種分叉角度結(jié)構(gòu)(30°、60°、90°、120°),發(fā)現(xiàn)分叉角度為60°時結(jié)構(gòu)的綜合換熱性能最佳.因此結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)果,文中設(shè)計4種分形角度(θ=30°,40°,50°, 60°)的吸液芯結(jié)構(gòu)進行實驗研究.

1.2 微槽道結(jié)構(gòu)熱阻分析

如圖1所示,對于完整的均熱板結(jié)構(gòu),熱量經(jīng)由基板、彎月面、蒸汽傳輸?shù)嚼淠?完成傳熱與傳輸.熱量經(jīng)由基板下表面?zhèn)鞯缴媳砻娴膫鳠釤嶙铻镽s,基板上表面通過吸液芯復(fù)合結(jié)構(gòu)到彎月面?zhèn)鲗?dǎo)熱阻為Rs-l.熱量在彎月面通過相變傳熱,其熱阻為Rv.通過線性疊加,可知蒸發(fā)端的熱阻Reva為

Reva=Rb+Rs-l+Rv

(2)

式中,Rb為基板熱阻.

圖1 蒸發(fā)端立柱凸臺熱阻模型

均熱板蒸發(fā)端熱阻按式(3)進行計算和評估：

(3)

式中,tb為蒸發(fā)端基板下表面溫度,tv為蒸汽腔內(nèi)溫度,ΔP為輸入功率.熱阻是評價結(jié)構(gòu)傳熱性能的重要指標(biāo),熱阻越小,傳熱性能越好.

2 實驗

2.1 均熱板制作

吸液芯總直徑為70mm,葉脈分形角度為60°,如圖2中所示,蒸發(fā)段由12個相同葉脈分形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成.每個分形滲透網(wǎng)絡(luò)第一級槽道長為12mm,寬為1mm,下一級與上一級的長度的比值為0.7,為了使化學(xué)腐蝕正常進行,寬度得以控制,設(shè)定下一級與上一級的寬度差為0.1mm.最后在葉脈槽道附近設(shè)置大量微通道,如圖2中細線所示,其槽寬為0.3mm.

圖2 θ=60°的葉脈分形網(wǎng)絡(luò)

由于吸液芯微通道尺寸較小,因此難以適用常規(guī)加工手段,實驗樣板采用化學(xué)腐蝕方式加工,腐蝕效果如圖3所示.首先將1∶1的圖樣用熱映法壓印在銅板上,再經(jīng)過調(diào)配好的腐蝕液進行化學(xué)腐蝕,最終脫膜清洗得到成品.

圖3 4種不同分形角度的樣板成品

由于實驗中均熱板冷凝段采用石英玻璃板以固定均熱板蒸發(fā)端上區(qū)域測試溫度的熱電偶,因此均熱板在工作中,工質(zhì)受熱蒸發(fā),并凝結(jié)在玻璃板上,難以及時地回流到蒸發(fā)端,因此在設(shè)計樣板時在吸液芯周圍留出多余部分,以便存儲足夠多的工質(zhì),保證工質(zhì)輸送,確保吸液芯中工質(zhì)不會被蒸干.經(jīng)過多次實驗確認，注入10mL的工質(zhì)可保證吸液芯工質(zhì)不會被蒸干.

2.2 實驗系統(tǒng)

測試系統(tǒng)主要由吸液芯基板、側(cè)壁環(huán)與上蓋板組成,如圖4所示,其中吸液芯基板材質(zhì)為紅銅,側(cè)壁環(huán)與上蓋板均為石英玻璃.其中側(cè)壁環(huán)高10mm、厚5mm,上蓋板厚6mm.基板、側(cè)壁環(huán)與上蓋板之間加入硅膠墊片,通過8個均勻排布的螺栓連接,形成封閉空間,以供液態(tài)工質(zhì)流動傳熱.實驗液態(tài)工質(zhì)選用潛熱較大的去離子水.

如圖5所示,實驗采集4個物理量,分別為熱源溫度、基板下表面溫度、吸液芯上表面凸臺溫度以及腔內(nèi)溫度.對不同熱源功率與分形角度條件進行實驗,以腔內(nèi)溫度t0作為參照來觀測文中所設(shè)定溫度點t1-t9的溫度變化情況.其中t1-4為均熱板上表面凸臺立柱溫度t1、t2、t3、t4的算術(shù)平均值,t6-9為基板下表面溫度t6、t7、t8、t9的算術(shù)平均值.Δt1為腔內(nèi)與吸液芯凸臺立柱上表面的溫差,Δt2為基板下表面與吸液芯凸臺立柱上表面的溫差.Δt2反映吸液芯結(jié)構(gòu)熱阻大小,Δt1反映薄膜蒸發(fā)區(qū)的蒸發(fā)熱阻大小.由于薄膜蒸發(fā)區(qū)的界面溫度難以測量,因此以吸液芯凸臺立柱表面的溫度近似代替.

圖4 測量裝配模型以及銅板腐蝕效果圖

Fig.4Assemblymodelformeasurementandcorrosiveeffectofcopperplate

圖5 實驗系統(tǒng)示意圖

基板下表面溫度與吸液芯凸臺立柱上表面溫度均通過多次測量求算術(shù)平均值的方式來獲取準確的數(shù)據(jù),兩種溫度采集點均設(shè)在距離均熱板中心點25 mm處.腔內(nèi)溫度采集點設(shè)在距離吸液芯凸臺立柱上表面約1 mm處,熱電偶均使用K型熱電偶.另外設(shè)置多個熱電偶觸點暴露于空氣中,并以溫度計作為標(biāo)準對其熱電偶的精度進行校驗,實驗中檢測這些熱電偶的溫度數(shù)據(jù)與周圍放置的溫度計讀數(shù)相同.

由于實驗僅為觀測均熱板蒸發(fā)端工作情況,其中工作中腔內(nèi)熱量難以及時排除,經(jīng)過理論分析與實驗驗證綜合考慮,實驗外部熱源功率取20、25、30 W.采用USB-7410數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集,基板加熱銅棒直徑為30 mm.

2.3 實驗數(shù)據(jù)采集與分析

分形角度為30°的均熱板在功率為20、25、30 W時的溫度變化如圖6所示.由于實驗只針對均熱板蒸發(fā)端的研究,為檢測溫度將冷凝端以不易散熱的玻璃板代替,因此實驗中由于缺少散熱系統(tǒng),腔內(nèi)的熱量不能迅速散去,從而導(dǎo)致整體溫度逐漸上升,相應(yīng)的溫差變化越來越大,在3種功率下,幾個檢測點溫度均呈均勻上升趨勢,而相對溫差也在緩慢的上升.從圖6中Δt1曲線變化來看,在Δt1曲線中間一段區(qū)域，Δt1變化比較平緩,在這段區(qū)域其表面薄膜蒸發(fā)暫時達到平衡狀態(tài),以此段區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)計算出的熱阻為標(biāo)準,可對不同分形角度結(jié)構(gòu)進行分析.

圖6 分形角度為30°的均熱板的溫度變化情況

Fig.6 Temperature changes of the vapor chamber with the fractal angle of 30°

不同分形角度下溫差Δt3的變化情況如圖7所示,據(jù)此變化來分析不同分形角度微結(jié)構(gòu)對均熱板蒸發(fā)端的工質(zhì)流動與傳熱的影響.圖7(a)顯示:在腔內(nèi)溫度達到30°之前,4種均熱板蒸發(fā)端溫差Δt3的變化相近,說明液體工質(zhì)尚未完全進入工作狀態(tài);隨著加熱升溫,分形角度為30°與60°的結(jié)構(gòu)均熱板蒸發(fā)端溫差Δt3逐漸超過分形角度為40°與50°的結(jié)構(gòu)均熱板,而分形角度為40°的結(jié)構(gòu)均熱板溫差僅僅比分形角度為50°的結(jié)構(gòu)均熱板高一點.圖7(b)中展現(xiàn)了同樣的規(guī)律,由于加熱功率的提高,導(dǎo)致均熱板蒸發(fā)端溫差Δt3在腔內(nèi)溫度達到30°之前變化不大,之后分形角度為30°與60°的結(jié)構(gòu)均熱板溫差Δt3逐漸超過另外2種結(jié)構(gòu)且溫差越來越大,分形角度為40°與50°的結(jié)構(gòu)均熱板溫差Δt3差別不大,且上升幅度較緩慢.

圖7 4種分形角度結(jié)構(gòu)溫差Δt3的變化情況

Fig.7 Changes of temperature difference Δt3of four structures with fractal angles

從圖6中選取適當(dāng)數(shù)據(jù)并由式(3)計算其結(jié)構(gòu)熱阻,結(jié)果如表1所示.從表中可知,分形角度為30°的結(jié)構(gòu)熱阻最大,其次是分形角度為60°的結(jié)構(gòu),分形角度為40°與50°的結(jié)構(gòu)熱阻最小,這與前面均熱板吸液芯分形角度對熱阻的影響的結(jié)論一致,即不論吸液芯結(jié)構(gòu)在冷凝端還是在蒸發(fā)端,分形角度為40°與50°的結(jié)構(gòu)熱阻都小于分形角度為30°與60°的結(jié)構(gòu)熱阻,其工質(zhì)流動與傳熱性能更優(yōu).

表1 不同加熱功率下4種結(jié)構(gòu)的熱阻

Table 1 Resistances of four structures under different heating powers

加熱功率/Wt0/℃熱阻/(℃·W-1)θ=30°θ=40°θ=50°θ=60°20350.440.380.370.40400.470.370.360.41450.480.390.370.4330350.460.340.330.39400.480.360.330.42450.460.350.340.40500.460.360.350.40

實驗得到完整均熱板在加熱功率為20 W時的熱阻為0.31～0.39 ℃/W[11],而實驗計算蒸發(fā)端熱阻在加熱功率為20W時為0.36～0.48 ℃/W.實驗中由于未加入冷凝端冷凝,且腔內(nèi)氣壓為標(biāo)準大氣壓,因此測量的溫差較完整均熱板工作時的溫差大,因此計算得到的熱阻大于真實值.但在同種實驗條件下,不同結(jié)構(gòu)熱阻的變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化.

3 結(jié)論

文中將仿植物葉脈分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于均熱板蒸發(fā)端吸液芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計,在常壓下觀測了蒸發(fā)端工作時的溫差變化.實驗結(jié)果表明,不同分形角度的均熱板蒸發(fā)端吸液芯微結(jié)構(gòu)熱阻不一樣,其中分形角度為40°與50°的結(jié)構(gòu)熱阻小于分形角度為30°與60°的結(jié)構(gòu)熱阻.因此,對于仿生葉脈結(jié)構(gòu)在蒸發(fā)端微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上,可以選用更恰當(dāng)?shù)姆中谓嵌?文中僅是初步研究了4種分形角度(30°、40°、50°、60°),今后擬對40°～50°之間的分形角度進行分析.

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Experimental Investigation into Leaf-Vein-Like Fractal Structure Applied to Evaporation of Vapor Chamber

LIUWang-yuWANGLiLUOYuan-qiang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Due to the fact that the transpiration of plant leaves takes away a large amount of heat, a new leaf-vein-like fractal structure is designed to optimize the thermal structure of vapor chambers, and the heat transfer effect of a leaf-vein-like fractal structure wick in the evaporation of vapor chambers is investigated. Then, by preparing a vapor chamber through chemical etching to perform a thermal experiment, the changes of the temperature difference between the bottom surface of the evaporation and the steam in the vapor chamber are discussed, and the thermal resistance of each part is calculated. Moreover, the thermal characteristics of the wick at the fractal angles of 30°, 40°, 50° and 60° are compared. The results indicate that the structures of the fractal angles of 40° and 50° have almost the same thermal performance, and the performance is better than those at the fractal angles of 30° and 60°, which means that smaller thermal resistance brings about better heat transfer and flow behaviors.

vapor chamber; leaf-vein-like fractal structure; heat transfer

1000-565X(2017)01- 0118- 05

2016- 03- 22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375169)

Foundation item： Supported by the National Natural Science Foundation of China(51375169)

劉旺玉(1966-)，女，博士，教授，主要從事現(xiàn)代加工方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究.E-mail:mewyliu@scut.edu.cn

TK 172

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.01.017