泡沫金屬毛細芯熱管熱性能實驗研究

李紅傳，紀獻兵，周冬冬，徐進良

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泡沫金屬毛細芯熱管熱性能實驗研究

李紅傳，紀獻兵，周冬冬，徐進良

( 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 多相流與傳熱北京市重點實驗室， 北京， 102206)

為解決大功率電子元器件的熱管理問題，利用超輕多孔泡沫銅金屬為毛細芯，設計一種新型熱管(NHP)。以丙酮為工質(zhì)，研究熱流密度、熱管傾角對該新型熱管熱性能的影響，并與傳統(tǒng)熱管(CHP)、熱沉(heat sink)的熱性能進行對比。研究結(jié)果表明：新型熱管不僅熱性能最佳，而且具有優(yōu)異的均溫特性，當熱管傾角為0°、熱流密度為117.2 W/cm2時，加熱面測溫點之間的最大溫差不超過7.0℃，且加熱面中心點溫度僅為56.2 ℃。熱管傾角對新型熱管的熱性能有一定的影響，且熱管傾角為0°時的熱性能優(yōu)于180°時的熱性能。

泡沫金屬；毛細芯；熱管；傳熱；熱性能

隨著電子元器件向著微型化、集成化、高功率化方向的不斷發(fā)展，其單位容積內(nèi)的產(chǎn)熱量急劇增加，如果不能及時散熱，將會導致發(fā)熱元件急劇溫升，嚴重影響著電子元件的穩(wěn)定性、可靠性及其使用壽命。熱管，作為一種高效相變換熱裝置，在電子元器件、車用鋰離子電池散熱等領域受到了廣泛的關注。涂福炳等[1]對同軸徑向熱管的傳熱特性進行了實驗與模擬研究，為開發(fā)高效經(jīng)濟的熱管提供了一定的參考依據(jù)。夏侯國偉等[2]研究了充液率、熱管傾角、工質(zhì)、加熱功率、啟動溫度對雙面三角形和雙面矩形2 種通道的平板脈動熱管傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明：雙面矩形平板脈動熱管和雙面三角形平板脈動熱管都具有工作穩(wěn)定與良好的傳熱性能，但三角形截面熱管的傳熱性能比矩形截面熱管的傳熱性能優(yōu)。賀榮等[3]針對傳統(tǒng)熱管散熱器結(jié)構(gòu)無法滿足CRH2 高速動車組牽引變流器CI散熱要求的現(xiàn)狀，提出一種階梯狀變截面熱管結(jié)構(gòu)并設計出新型熱管散熱器，通過數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法對其進行了研究，為熱管散熱器的設計和改進提供了重要方法和依據(jù)。WU等[4]研究了毛細芯表面微槽的數(shù)量對熱管性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著毛細芯表面微槽數(shù)量的增多，熱管傳熱性能不斷提高。作為熱管的核心部件，毛細芯的結(jié)構(gòu)及其特性制約著整個熱管的性能[5]。因此，研究人員制備了各種不同結(jié)構(gòu)的毛細芯，并對其熱性能進行了研究[6?12]。泡沫金屬，作為一種制備工藝逐漸成熟的金屬材料，因具有導熱系數(shù)高、比表面積大、孔隙率高、相對密度小等優(yōu)點，在傳熱學領域受到廣泛關注與研究[13?15]。盡管泡沫金屬有著優(yōu)異的性能，科研人員將其用于熱管中的研究還較少。鄭麗等[16]在自然冷卻與水冷的條件下，分別對泡沫鎳吸液芯熱管和不銹鋼絲網(wǎng)吸液芯熱管的傳熱性能進行了實驗研究，獲得了自然冷卻工況與水冷工況下泡沫鎳熱管管內(nèi)蒸發(fā)傳熱系數(shù)和管內(nèi)冷凝傳熱系數(shù)隨熱通量的變化規(guī)律，結(jié)果表明泡沫鎳熱管具有良好的啟動特性。ZHOU等[17]對以泡沫銅和鎳為毛細芯的回路熱管進行了實驗研究，結(jié)果表明泡沫銅毛細芯熱管熱性能較泡沫鎳毛細芯熱管的優(yōu)。本文作者利用超輕多孔泡沫銅金屬作為毛細芯構(gòu)造了一種新型結(jié)構(gòu)熱管，以丙酮為工質(zhì)，研究了熱流密度、熱管傾角對該新型熱管熱性能的影響，并與傳統(tǒng)熱管及熱沉進行了對比實驗。

1 實驗方法與分析

1.1 實驗裝置

圖1所示為實驗裝置示意圖，主要包括實驗段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加熱控制系統(tǒng)及加熱部件等。實驗段為新型熱管。加熱部件為從下到上收縮的紫銅臺柱，其高度為54.0 mm，加熱面直徑為10.0 mm，接近上段加熱面的臺柱上部有3個直徑為1.0 mm孔，內(nèi)插銅?康銅K型熱電偶用于推算加熱面中心溫度，臺柱底部有3個直徑為8.0 mm的孔，內(nèi)插3根額定功率為150.0 W的電加熱棒，以模擬不同功率電子元器件的產(chǎn)熱，實驗過程中實際加熱功率可通過調(diào)壓器進行控制。在翅片熱沉的上方裝有驅(qū)動電壓為12 V的風扇，用于將翅片熱沉的散熱。為減少熱管的熱量損失，對整個系統(tǒng)采取了較好的絕熱保溫措施。

1—風扇；2—翅片；3—蒸發(fā)室；4—紫銅臺柱；5—電加熱棒；6—數(shù)據(jù)采集器；7—計算機；8—功率計；9—調(diào)壓器；10—穩(wěn)壓器。

1.2 實驗段及其工作原理

圖2所示為壓縮前后的泡沫銅金屬掃描電鏡照片。本文所用的泡沫銅金屬由紫銅材料制備。為了增大毛細芯的毛細力，對泡沫銅金屬進行了不同方向的壓縮。從圖2可以看出：泡沫銅金屬壓縮前后內(nèi)部均呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并互相連接構(gòu)成眾多相互連通的大小不同的多尺度孔隙，小孔孔徑約為50 μm，大孔孔徑約為0.5 mm，多尺度孔隙的存在，有利于解決蒸汽逸出與液體吸入間的矛盾問題，因為大孔利于蒸汽的逸出，小孔利于液體的吸入，由此可保證蒸發(fā)腔內(nèi)汽液間的有序運動與循環(huán)。

(a) 壓縮前；(b) 壓縮后

圖3所示為新型熱管的結(jié)構(gòu)、尺寸及熱電偶分布示意圖。其中，翅片熱沉的直徑為100.0 mm，由6063鋁合金加工而成，其總高度為48.0 mm，翅片高度為40.0 mm，翅片寬為7.0 mm，翅片間距為3.0 mm。另外，從圖3(-截面圖)還可以看出：在熱管蒸發(fā)腔底部燒結(jié)有一層泡沫銅金屬毛細芯，在翅片內(nèi)部構(gòu)造有直徑為4.0 mm的圓孔，用于插入泡沫銅金屬條(寬度為1.5 mm)，且泡沫銅金屬條底段與燒結(jié)在熱管底部的毛細芯直接接觸。本文采用銅?康銅K型熱電偶測量溫度，熱電偶先用熱電偶焊機焊成小球，然后將其焊接到熱管底板及翅片上。圖中：1~3測溫點用于測量翅片上的溫度，4~8測溫點用于測量翅片基部溫度，9~14測溫點用于測量熱管底板溫度。

單位：mm

新型熱管的結(jié)構(gòu)與工作的原理與傳統(tǒng)熱管的顯著不同，新型熱管在翅片熱沉內(nèi)部構(gòu)造有許多冷凝通道，并插入了泡沫銅金屬條作為毛細芯，形成了一體化結(jié)構(gòu)的熱管。當熱管蒸發(fā)段泡沫銅金屬層內(nèi)的液體吸熱蒸發(fā)時，蒸汽進入翅片內(nèi)部的冷凝通道中，并在冷凝通道內(nèi)冷凝，冷凝后的液體被泡沫銅金屬條吸收并沿著泡沫銅金屬條進入到熱管蒸發(fā)端，從而實現(xiàn)液體的補充和循環(huán)。而對于傳統(tǒng)熱管而言，熱管和翅片分離，且其毛細芯僅沿著熱管內(nèi)壁面分布，導致液體回流的路線很長，因此新結(jié)構(gòu)熱管不僅縮短了液體循環(huán)的路徑與時間，而且消除了存在于熱管與翅片熱沉之間的接觸熱阻。

1.3 實驗方法

實驗前先對熱管進行抽真空處理，然后注入一定體積的丙酮并完成熱管的封裝。由于丙酮內(nèi)存在不凝性氣體，因此在注入前需對其進行除氣處理。在熱管封裝前首先測試了完全濕潤蒸發(fā)端泡沫銅金屬毛細芯所需丙酮體積，約占熱管腔內(nèi)總體積的26.3%，考慮到熱管內(nèi)液體蒸發(fā)和回流的滯后性及前人的研究，取充液比(液體體積占熱管腔內(nèi)總體積的比例)為30%進行實驗。

熱流密度定義為

其中：為有效加熱功率；為加熱面積，為0.785 cm2。

為評價新型熱管的整體熱性能，定義系統(tǒng)熱阻計算式為

其中：sys為系統(tǒng)熱阻；e,c為加熱面中心溫度；air為環(huán)境溫度(25~27℃)。本實驗中，K型熱電偶存在最大誤差為0.2 K，功率計最大相對誤差為0.5%，因此系統(tǒng)熱阻主要受溫度與加熱系統(tǒng)的影響，根據(jù)標準誤差計算理論可得系統(tǒng)熱阻的相對不確定度為6.4%。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 均溫性

熱管熱性能不僅與傳熱能力有關，還與其均溫性有關。圖4所示為在相同熱流密度條件(=117.2 W/cm2)下，新型熱管(NHP)、傳統(tǒng)熱管(CHP)、翅片熱沉(heat sink)的翅片基部與加熱面的溫度分布。從圖4可以看出：新型熱管翅片基部及加熱面的均溫性最佳，翅片熱沉的均溫性最差，傳統(tǒng)熱管的均溫性介于二者之間，當=117.2 W/cm2時，新型熱管翅片基部測溫點之間的最大溫差不超過2.0℃，加熱面測溫點之間的溫差不超過7.0℃，加熱面測溫點最高溫度不超過57.0℃，而翅片熱沉的基部測溫點之間的最大溫差達7.7℃，加熱面測溫點之間的溫差高達26.8℃，加熱面測溫點最高溫度高達83.2℃，顯示出新型熱管優(yōu)異的均溫特性與熱性能，其機理為新型熱管在翅片內(nèi)部構(gòu)造了眾多冷凝通道，并插有泡沫銅金屬條作為毛細芯，這些冷凝通道能使蒸汽均勻分布于翅片內(nèi)部并冷凝，其作用相當于眾多的微型熱管均勻地分布在熱沉內(nèi)部并同時參與工作，故比一般熱管具有更優(yōu)異的均溫性；其次，由于泡沫銅金屬有著較高的導熱率及較大的比表面積，因此比一般的毛細芯(如粉末燒結(jié)毛細芯)導熱能力更強；最后，泡沫銅金屬具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)，能很好地解決蒸汽逸出與液體吸入的矛盾問題，從而使熱管表現(xiàn)出最佳熱性能。

(a) 翅片基部；(b) 加熱面

2.2 溫度隨熱流密度的變化及重力的影響

圖5所示為加熱面中心點溫度隨熱流密度的變化曲線。從圖5可以看出：隨著熱流密度的增加，3種傳熱裝置的中心點溫度均增加，但增加的程度差別較大。當熱管傾角=0o時，在同一熱流密度條件下，新型熱管溫度最低，翅片熱沉溫度最高，傳統(tǒng)熱管溫度介于二者之間，當=117.2 W/cm2時，新型熱管的溫度僅為56.2 ℃，而翅片熱沉的溫度高達93.9 ℃，其原因在于：新型熱管在翅片內(nèi)部構(gòu)造有冷凝通道，并插入了高導熱率的泡沫銅金屬條作為毛細芯，因此擴大了冷凝段散熱面積，強化了傳熱；另外，一體化設計消除了傳統(tǒng)熱管與翅片熱沉之間的接觸熱阻，因此熱性能大大提升。

熱管傾角對新型熱管的熱性能有一定的影響。在同一熱流密度下，當=0°時，溫度最低，=180°時溫度最高，其原因在于：當=0°時，重力作用方向與工質(zhì)流動方向一致，因此有利于液體工質(zhì)流向蒸發(fā)端，避免蒸發(fā)端燒干；而當=180°時，重力會阻礙液體工質(zhì)的流動，從而不利于液體工質(zhì)的循環(huán)，導致蒸發(fā)端液體供應不足，從而使傳熱惡化。

1—NHP，θ=0°；2—NHP，θ=180°；3—CHP，θ=0°；4—CHP，θ=180°；5—翅片熱沉，θ=0°。

2.3 系統(tǒng)熱阻隨熱流密度的變化

圖6所示為系統(tǒng)熱阻隨熱流密度的變化曲線。從圖6可以看出，隨著熱流密度的增加，3種傳熱裝置的系統(tǒng)熱阻均逐漸減小，只是減小的程度不同。當=0°時，翅片熱沉的系統(tǒng)熱阻隨熱流密度的增加基本不發(fā)生變化，且翅片熱沉的系統(tǒng)熱阻比新型熱管與傳統(tǒng)熱管的大，當=117.2 W/cm2時，其最小系統(tǒng)熱阻約為0.75 K/W；新型熱管的系統(tǒng)熱阻隨熱流密度的增加變化較大，且系統(tǒng)熱阻一直處于傳統(tǒng)熱管與翅片熱沉曲線的下方，當=138.9 W/cm2時，其最小系統(tǒng)熱阻約為0.33 K/W；傳統(tǒng)熱管的系統(tǒng)熱阻一直處于二者之間，其最小系統(tǒng)熱阻約為0.42 K/W。當=180°時，新型熱管與傳統(tǒng)熱管的系統(tǒng)熱阻均大于=0°時的熱阻，且傳統(tǒng)熱管的系統(tǒng)熱阻更大。

圖6 系統(tǒng)熱阻隨熱流密度的變化

2.4 翅片表面溫度分布

評價翅片效率最基本的因素是翅片表面的溫度分布情況，若翅片基部與末段溫差小，則說明翅片效率高。圖7所示為沿著翅片高度方向的溫度分布。從圖7可以看出：在低熱流密度條件下，3種傳熱裝置的翅片基部與末段溫差不大，然而隨著熱流密度的增加溫差增大。當=104.6 W/cm2時，3種傳熱裝置的翅片基部與末段溫差較大。當=161.3 W/cm2時，新型熱管翅片基部與末段溫差不超過6.9℃，傳統(tǒng)熱管為14.7 ℃，而翅片熱沉溫差高達21.7℃。

q/(W?cm?2)：(a) 161.3；(b) 104.6；(c) 34.3

3 結(jié)論

1) 新型熱管具有優(yōu)異的均溫特性與熱性能，熱管傾角為0°、熱流密度為117.2 W/cm2時，新型熱管翅片基部測溫點之間的最大溫差不超過2.0℃，加熱面測溫點最高溫度不超過57 ℃，比翅片熱沉加熱面測溫點最高溫度低26.2 ℃；

2) 3種傳熱裝置的系統(tǒng)熱阻均隨熱流密度的增加而減小，且新型熱管的系統(tǒng)熱阻最小，當熱管傾角為0°、熱流密度為138.9 W/cm2時，其最小系統(tǒng)熱阻約為0.33 K/W；

3) 3種傳熱裝置中，新型熱管的翅片溫度分布差異最小，當熱流密度達到161.3 W/cm2時，新型熱管翅片基部與末段溫差不超過6.9℃，而翅片熱沉的基部與末段溫差超過21.0℃。

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(編輯 趙俊)

Experimental investigation on thermal performance of metal foam capillary wick heat pipe

LI Hongchuan, JI Xianbing, ZHOU Dongdong, XU Jinliang

(Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer, School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to solve the thermal management problem of high power electronic devices, a novel heat pipe(NHP) was designed with ultra-light porous copper foam metal as capillary wick. The effect of heat fluxand inclination angel of heat pipeon thermal performance of the NHP was studied using acetone as the working fluid. The differences of thermal performance among NHP, convention heat pipe (CHP) and heat sink (without heat pipe) were compared. The results show that the NHP has not only good heat transfer capability, but also wonderful temperature uniformity. When=0° and117.2 W/cm2, the largest temperature difference between the measuring point is less than 7.0 ℃, and the center temperature of the heating surface is just 56.2℃. Inclination angle of heat pipe has certain effect on thermal performance of the NHP, and the thermal performance of=0° is better than that of=180°.

foam metal; capillary wick; heat pipe; heat transfer; thermal performance

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.12.034

TK124

A

1672?7207(2017)12?3400?06

2016?12?17；

2017?03?10

國家自然科學基金資助項目(51676071；51436004)(Projects(51676071, 51436004) supported by the National Natural Science Foundation of China)

紀獻兵，博士，副教授，從事相變傳熱、節(jié)能、電子元器件冷卻的研究；E-mail：jxb@ncepu.edu.cn