一種應用于大功率設備的熱管散熱器改良方法

戰(zhàn)乃巖 吳俊廷 鄧育鋒

（吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，吉林長春130118）

0 引言

平板微熱管是通過氣液相變進行傳熱的一種新型導熱材料，只要有微小的溫降就可實現(xiàn)熱量的大量傳遞。1984年，T.P.Cotter[1]等人提出了熱管微型化的設想并將其概念化。王晨[2]著重對熱管傾角與熱管導熱能力之間的關系進行了實驗研究，通過實驗算出了伴隨著不同傾角熱管的傳熱效率的變化。ChenYongping[3]通過對軸向燕尾形微槽的熱管的熱模型的數(shù)值分析來預測其熱傳遞能力和總熱阻。M.Ghajar[4]等人使用薄膜蒸發(fā)的原理構建出模型來預測溝槽毛細結構中的蒸發(fā)傳熱系數(shù)。本文旨在研究已知多孔微槽熱管物性參數(shù)的情況下肋片配置對其導熱性能的影響。對于不同的肋片配置，本文通過利用CFD軟件來模擬分析同條件熱源下不同傾角、肋片高度的散熱效果，從而得出最佳優(yōu)化方案并揭示其原因。

1 物理模型及數(shù)學描述

影響牽引變流器冷卻單元性能的因素包括牽引變流器冷卻單元的全部工作過程：進氣—換熱—排氣。ANSYS是目前最流行的有限元分析軟件，可實現(xiàn)傳導、對流和輻射換熱計算，其中的ICEPAK模塊對牽引變流器冷卻單元氣體流動、熱傳導等進行系統(tǒng)分析較為適用。

1.1 物理模型

對于常規(guī)熱管散熱器，模型大致為以金屬薄片作為肋片并用熱管將其貫穿，如圖1所示。本文擬用一定傾斜角度的平板微熱管陣列代替鋁制肋片建立如圖2所示物理模型，熱源設為4個，并排排列，尺寸為200mm×150mm，發(fā)熱功率為200W；導熱背板為熱源向長度0.54m、高度0.5m的平板微熱管陣列；斜肋與導熱背板的貼合長度為30mm，縱向翅片間距為40mm，粘和使用環(huán)氧樹脂AB膠金屬粘和劑，導熱系數(shù)設為1.5W/（m·℃），比熱為2000J/（kg·℃），密度為1.8g/cm3。h2表示肋片高度，ɑ表示肋片傾斜角度。

圖1 常規(guī)熱管散熱器

圖2 物理模型

1.2 邊界條件及物性參數(shù)設置

邊界條件和物性參數(shù)按實際條件設定，主要考慮以下幾個方面：

（1）不考慮車輛起步和減速的情況，所以該模擬過程為穩(wěn)態(tài)；

（2）設定模擬工況為夏季，環(huán)境溫度為40℃；

（3）車輛以50km/h的常規(guī)速度行駛，列車的運動等效成空氣以50km/h的速度與散熱器進行強迫對流，且空氣流動垂直于熱源散熱方向；

（4）由于不同傾角平板微熱管陣列導熱系數(shù)不同，在進行模擬前要采用穩(wěn)態(tài)法對各角度導熱系數(shù)進行測量；

（5）模型內(nèi)其他固體壁面為導流作用，不參與主要熱傳遞，據(jù)此設置傳熱系數(shù)。

2 數(shù)值模擬結果

當模型肋片傾角為30°，肋片高度為200mm時，導熱硅膠最高溫度為77.5℃，低于其最高工作溫度，熱源溫度最高為81.5℃，基本符合散熱要求。在h1固定為30mm的基礎上對肋片角度與肋片高度分別進行調(diào)整，得出熱源最高溫度如圖3所示，不同傾角下肋片截面溫度云圖如圖4所示。

圖3 不同傾角下肋片高度與熱源溫度關系圖

圖4 不同傾角橫向切面空氣溫度場

3 結語

圖3顯示出以下幾個特點：當肋片傾斜角度為30°時，雖然平板微熱管陣列本身的導熱系數(shù)下降，但換熱效果優(yōu)于其他角度；同一角度下，肋片散熱隨著肋片高度增加而變強；當肋片高度在100～140mm之間時，熱源最高溫度下降顯著，之后隨著肋片高度的增加下降變慢。通過觀察肋片截面溫度云圖，當傾角為30°時，由于重力驅動力較低，單個肋片導熱系數(shù)最小，但相鄰肋片周圍的空氣熱邊界層輪廓分明、互不相交；當傾角為45°時，相鄰肋片間空氣熱邊界層已經(jīng)開始相交；當傾角為60°時，雖然單個肋片導熱系數(shù)最大，但空氣熱邊界層完全相交，導致其散熱性能最差。在實際工程中，肋片間距不能小于二倍熱邊界層厚度，否則肋片間流體溫度升高會影響散熱。

［參考文獻］

[1]COTTER T P.Principle and prospects for micro heat pipes[C]//Proceedings of 5th International Heat Pipe Conference,1984:328-335.

[2]王晨，劉中良，張廣孟，等.傾斜角度對平板熱管性能影響的實驗研究[J].工程熱物理學報，2012，33（8）：1400-1402.

[3]CHEN Y P,ZHU W F,ZHANG C B,et al.Thermal Characteristics of Heat Pipe with Axially Swallow-tailed Microgrooves[J].Chinese Journal Chemical Engineering,2010,18(2):185-193.

[4]Ghajar M,Darabi J.Evaporative heat transfer analysis of a micro loop heat pipe with rectangular grooves[J].International Journal of Thermal Sciences,2014,79(5):51-59.