一種縱向供液式環(huán)路熱管傳熱性能研究

(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

隨著集成技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的功率不斷增加，散熱問題成為電子設(shè)備性能提升的制約因素，逐漸得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1]。目前，單相換熱能力已經(jīng)不能滿足使用需求，兩項(xiàng)散熱技術(shù)成為發(fā)展的趨勢。環(huán)路熱管(Loop Heat Pipe，LHP)技術(shù)是一種兩相散熱技術(shù)[2-3]，利用毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)相變傳遞熱量，具有傳熱性能高、傳熱熱阻低、傳輸距離長和無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)。

將LHP技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)備散熱中，需要進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。LHP小型化的主要難點(diǎn)是減小LHP系統(tǒng)的厚度，傳統(tǒng)背向供液LHP系統(tǒng)由于補(bǔ)償腔與集氣腔的存在，一般厚度在10 mm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電子設(shè)備散熱的空間要求。因此，縱向供液的LHP蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)引起了研究者的關(guān)注，同傳統(tǒng)LHP不同，縱向供液補(bǔ)償腔位于毛細(xì)芯一側(cè)，補(bǔ)償腔厚度根據(jù)毛細(xì)芯厚度進(jìn)行調(diào)整，大大減小了LHP系統(tǒng)的整體厚度，采用縱向供液結(jié)構(gòu)的LHP系統(tǒng)厚度可以達(dá)到3～8 mm[4]?？v向供液LHP的研究使LHP微小型化成為可能。

Maydanik[5]、Singh[6]、Joung[7]等均研制了多種不同工質(zhì)與材料的縱向供液LHP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。Shioga[8]團(tuán)隊(duì)利用刻蝕技術(shù)制作了厚度為0.1 mm的LHP系統(tǒng)環(huán)路薄片，堆疊制作了厚度為0.6 mm的超薄LHP系統(tǒng)，能夠?qū)ψ兓臒嶝?fù)荷進(jìn)行迅速響應(yīng)。李驥[9-10]等研制了厚度為1.19 mm的LHP系統(tǒng)，在熱負(fù)荷為1～12 W條件下成功運(yùn)行。汪雙鳳[11]等設(shè)計(jì)測試了厚度為8 mm的縱向供液LHP系統(tǒng)，并測試了冷凝器相對(duì)位置對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，發(fā)現(xiàn)冷凝器的布置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致LHP啟動(dòng)過程中出現(xiàn)溫度波動(dòng)現(xiàn)象。唐勇[12-13]等對(duì)工質(zhì)為銅-水納米流體的小型LHP建立了數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱負(fù)荷大于25 W時(shí)，納米流體表現(xiàn)出了更好的傳熱特性?？傮w而言，對(duì)于縱向供液LHP的研究尚不多見。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了一種厚度為6 mm的縱向供液式LHP系統(tǒng)，蒸發(fā)器材質(zhì)為黃銅，選用鎳基雙孔徑燒結(jié)毛細(xì)芯。實(shí)驗(yàn)測試了系統(tǒng)在水平狀態(tài)及重力傾角10°輔助狀態(tài)下的啟動(dòng)與變負(fù)荷性能，研究分析了該系統(tǒng)的啟動(dòng)與傳熱特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)LHP系統(tǒng)由蒸發(fā)器、蒸氣管路、液體管路與套管式冷凝器組成。蒸發(fā)器整體外觀尺寸為68 mm×26 mm×6 mm，其中厚度為6 mm，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。蒸發(fā)器上部蓋板側(cè)開有厚度為0.8 mm的供液槽，增強(qiáng)系統(tǒng)的供液能力。實(shí)驗(yàn)管路選用外徑為4 mm的紫銅管，蒸氣/液體管路與冷凝器長度分別為100 mm、150 mm、180 mm。

LHP系統(tǒng)與測溫點(diǎn)布置如圖2所示，加熱面為面積為7.2 mm2,79 mm(L)×99 mm(W)×13.5 mm(H)的紫銅塊，模擬熱源由三根單頭加熱棒嵌入銅塊中制成，均溫測試中加熱面各點(diǎn)溫差不超過1℃。系統(tǒng)布置有13根精度為±0.5℃的T型熱電偶，由Keithley-2700數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。套管式冷凝器直接與冷水機(jī)組相連，測試中冷凝器溫度設(shè)定為5℃。實(shí)驗(yàn)測試前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理，回路壓力達(dá)到2.5×10-4Pa。循環(huán)工質(zhì)選用甲醇，充灌率為80%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 LHP系統(tǒng)啟動(dòng)特性測試

啟動(dòng)過程是LHP系統(tǒng)運(yùn)行中最復(fù)雜的過程，熱負(fù)荷、充灌率、傳輸管路長度、冷凝溫度、氣液狀態(tài)初始分布、系統(tǒng)姿態(tài)等因素都會(huì)對(duì)啟動(dòng)特性產(chǎn)生影響[12-13]。同時(shí)，LHP系統(tǒng)啟動(dòng)熱負(fù)荷存在有閾值，即系統(tǒng)成功啟動(dòng)的最小熱負(fù)荷，低于該熱負(fù)荷，LHP系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)失敗。因此，當(dāng)啟動(dòng)閾值過高時(shí)，LHP系統(tǒng)對(duì)熱負(fù)荷的響應(yīng)性能會(huì)受到限制。本文對(duì)水平與重力傾角10°兩種狀態(tài)下，系統(tǒng)的啟動(dòng)性能進(jìn)行了測試分析。

2.1.1 水平狀態(tài)啟動(dòng)特性

當(dāng)系統(tǒng)處于水平狀態(tài)下，限制加熱壁面溫度低于100(±1)℃，系統(tǒng)在熱負(fù)荷20～60 W熱負(fù)荷下可以成功啟動(dòng)運(yùn)行，最大熱流密度8.3 W/cm2。圖3給出了熱負(fù)荷為20 W和60 W條件下，系統(tǒng)的啟動(dòng)過程溫度變化圖。負(fù)壓LHP系統(tǒng)啟動(dòng)一般可以分為三個(gè)過程：加熱階段、預(yù)啟動(dòng)階段、啟動(dòng)階段。蒸發(fā)器加熱面加載熱負(fù)荷后，蒸發(fā)器加熱面溫度迅速上升，通過熱量傳導(dǎo)，蒸發(fā)器中其他部分溫度也隨之上升。毛細(xì)芯表面工質(zhì)相變汽化，通過蒸汽槽道集聚到集氣腔，集氣腔壓力隨之升高，推動(dòng)工質(zhì)經(jīng)由蒸汽管路進(jìn)入冷凝器，工質(zhì)蒸汽在冷凝器中冷凝為過冷液體。之后，在毛細(xì)力作用下通過液體管路流回補(bǔ)償腔，補(bǔ)償腔溫度降低，在毛細(xì)芯兩側(cè)形成穩(wěn)定壓差，系統(tǒng)達(dá)到能量平衡，各點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定。

同傳統(tǒng)背向供液LHP系統(tǒng)不同，縱向供液LHP系統(tǒng)補(bǔ)償腔位于毛細(xì)芯及蒸汽槽道一側(cè)。為減小蒸發(fā)器厚度，通常補(bǔ)償腔與加熱部分處于同一壁面，因此在熱源對(duì)毛細(xì)芯加熱的同時(shí)也會(huì)對(duì)補(bǔ)償腔加熱，“側(cè)壁導(dǎo)熱”現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致補(bǔ)償腔氣化，蒸發(fā)器蒸氣出口側(cè)與液體進(jìn)入側(cè)溫度同時(shí)升高，難以形成足夠的壓差，延長啟動(dòng)時(shí)間，甚至嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致補(bǔ)償腔燒干，啟動(dòng)失敗。

如圖3(a)所示，在熱負(fù)荷為20 W時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)過程處于過沖模式，溫度出現(xiàn)“尖頂”現(xiàn)象。分析其中原因，在低負(fù)荷啟動(dòng)過程中，黃銅加熱壁面導(dǎo)熱性能強(qiáng)，毛細(xì)芯與補(bǔ)償腔同時(shí)被加熱，難以建立足夠的壓差，系統(tǒng)溫度持續(xù)升高，直到壓差足夠推動(dòng)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器冷凝并回到補(bǔ)償腔，此后系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，液體工質(zhì)冷卻補(bǔ)償腔，系統(tǒng)整體溫度開始降低，然后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過圖3(a)溫度變化，可以發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)過程前12 min，補(bǔ)償腔入口與蒸發(fā)器出口溫度同步上升。冷凝器入口溫度在12 min左右開始大幅度上升，工質(zhì)蒸汽開始進(jìn)入冷凝器，工質(zhì)液體回流補(bǔ)償腔，系統(tǒng)各點(diǎn)溫度開始下降，最后趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)啟動(dòng)。圖3(b)顯示，“側(cè)壁導(dǎo)熱”在高熱負(fù)荷條件下會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成功啟動(dòng)運(yùn)行后溫度緩慢增加，難以穩(wěn)定。分析可能的原因，部分熱量通過蒸發(fā)器壁面導(dǎo)入補(bǔ)償腔，補(bǔ)償腔回流液體過冷度不足以補(bǔ)償這一部分熱量，補(bǔ)償腔溫度不斷上升，為克服系統(tǒng)管路中阻力，在蒸發(fā)器兩側(cè)形成足夠壓差，蒸發(fā)器出口側(cè)蒸汽溫度也隨之不斷緩慢增加。

如表1所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，補(bǔ)償腔背面溫度較補(bǔ)償腔入口測溫度高，補(bǔ)償腔上部充滿工質(zhì)蒸汽，補(bǔ)償腔處于氣液兩相。縱向供液結(jié)構(gòu)中，通過側(cè)壁向補(bǔ)償腔導(dǎo)熱比例較高，制約了LHP系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行性能。

表1蒸發(fā)器溫度

熱負(fù)荷/W蒸汽出口溫度/℃補(bǔ)償腔背面溫度/℃補(bǔ)償腔入口溫度/℃2050.246.537.33058.554.242.14066.56245.95077.872.253.66090.483.460.7

2.1.2 初始?xì)庖悍植紝?duì)啟動(dòng)性能的影響

大量實(shí)驗(yàn)研究表明系統(tǒng)中初始?xì)庖悍植紶顟B(tài)也會(huì)對(duì)LHP系統(tǒng)啟動(dòng)性能產(chǎn)生較大影響[14-15]。實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，相同熱負(fù)荷條件下，不同的前置實(shí)驗(yàn)會(huì)使系統(tǒng)特性發(fā)生變化。如圖4所示，圖4(a)為冷態(tài)直接啟動(dòng)，圖4(b)為前置測試熱負(fù)荷為80 W后啟動(dòng)。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)階段，兩種不同工況均產(chǎn)生了蒸汽進(jìn)入蒸汽管路。圖4(a)所示冷態(tài)啟動(dòng)工況下，啟動(dòng)出現(xiàn)“過沖”現(xiàn)象，該工況下蒸汽管路存在有液體集聚，氣液界面在蒸汽管路側(cè)，為克服運(yùn)行阻力，系統(tǒng)溫度不斷升高。當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到最高點(diǎn)后，蒸汽工質(zhì)進(jìn)入冷凝器部分，冷凝器入口溫度迅速上升，工質(zhì)在冷凝器中釋放熱量并回流補(bǔ)償腔，各部分溫度隨之下降最后趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)成功啟動(dòng)運(yùn)行。圖4(b)所示工況前置測試熱負(fù)荷為80 W，之前測試中，蒸汽管路完全被氣態(tài)工質(zhì)占據(jù)，系統(tǒng)冷卻后工質(zhì)積液相對(duì)較少，在此工況下，冷凝器入口側(cè)溫度隨蒸發(fā)器出口溫度迅速上升，系統(tǒng)循環(huán)需要克服較小阻力，工質(zhì)蒸汽產(chǎn)生后直接進(jìn)入冷凝器冷凝，系統(tǒng)在較短時(shí)間中成功啟動(dòng)。對(duì)比圖4(a) 與圖4(b)，不同工況下系統(tǒng)啟動(dòng)模式雖然發(fā)生了改變，但是最終系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定的溫度相近，前置實(shí)驗(yàn)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行溫度影響較小。

2.1.3 重力輔助狀態(tài)下啟動(dòng)特性

系統(tǒng)姿態(tài)也是影響LHP系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要因素。通常當(dāng)冷凝器位于蒸發(fā)器上側(cè)時(shí)，蒸汽上升時(shí)會(huì)受到液體工質(zhì)回流的阻力，液體側(cè)重力的作用由阻力變?yōu)橹?，推?dòng)工質(zhì)回流補(bǔ)償腔，重力對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響取決于這兩部分影響的綜合效果。在重力傾角為10°，冷凝溫度5℃條件下，對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)特性進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在重力輔助條件下，系統(tǒng)性能有了大幅度提高。如圖5所示，LHP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在熱負(fù)荷為10～150 W條件下均能成功啟動(dòng)，最大熱流密度20.8 W/cm2。

通過圖5(a)，圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，重力輔助條件下，不僅大大提升了系統(tǒng)的應(yīng)用的負(fù)荷范圍，同時(shí)提升了系統(tǒng)啟動(dòng)與運(yùn)行的性能。對(duì)比圖3(a)與圖5(a)，水平狀態(tài)低負(fù)荷條件下，系統(tǒng)出現(xiàn)了過沖現(xiàn)象，產(chǎn)生了溫度“尖頂”,重力輔助條件下即使是更低的熱負(fù)荷也未出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速。對(duì)比圖3(b)與圖5(b),重力輔助時(shí)，高熱負(fù)荷情況下消除了系統(tǒng)運(yùn)行難穩(wěn)定的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谥亓o助條件下，在冷凝器中冷凝的液體工質(zhì)可以在受重力作用回流補(bǔ)償腔，降低補(bǔ)償腔溫度，及時(shí)與蒸發(fā)器出口側(cè)形成溫差，使系統(tǒng)順利啟動(dòng)運(yùn)行。避免系統(tǒng)在側(cè)壁導(dǎo)熱作用下，蒸發(fā)器兩側(cè)溫度同時(shí)上升，難以建立足夠壓差，延長啟動(dòng)時(shí)間甚至啟動(dòng)失敗。

2.2 系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行特性

在LHP系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，加載的負(fù)荷情況并不是一成不變，電子運(yùn)行中，產(chǎn)生的熱量會(huì)隨性能發(fā)生改變，因此LHP系統(tǒng)的變負(fù)荷條件下的響應(yīng)速度與運(yùn)行穩(wěn)定性也是系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖6是重力傾角10°，冷凝溫度5℃時(shí)，系統(tǒng)在熱負(fù)荷20～150 W條件下的變負(fù)荷運(yùn)行情況。

由圖6可以看出，系統(tǒng)在熱負(fù)荷為20～150 W條件下，加熱壁面最高溫度為94℃，升降負(fù)荷過程均能迅速響應(yīng)，運(yùn)行平穩(wěn)，加熱壁面無溫度波動(dòng)情況發(fā)生。同時(shí)隨著熱負(fù)荷的增加，蒸發(fā)器出口與補(bǔ)償腔背面溫差增加，回流液體工質(zhì)對(duì)補(bǔ)償腔冷卻效果增強(qiáng)。補(bǔ)償腔入口溫度出現(xiàn)一定波動(dòng)，幅度隨熱負(fù)荷有所增加，可能原因是補(bǔ)償腔存在工質(zhì)氣化，處于氣液兩相，預(yù)測在更高熱負(fù)荷條件下系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償腔氣化加劇導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

2.3 熱阻分析

LHP系統(tǒng)的綜合傳熱性能通常用熱阻這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[16]。LHP系統(tǒng)熱阻被定義為熱源與冷凝器溫差同熱負(fù)荷的比值。蒸發(fā)器熱阻被定義為蒸發(fā)器加熱壁面與蒸發(fā)器蒸汽出口溫差同熱負(fù)荷的比值。這兩種熱阻分別表征了LHP系統(tǒng)熱輸運(yùn)性能以及蒸發(fā)器本身對(duì)系統(tǒng)性能的影響。熱阻的數(shù)值越小，系統(tǒng)性能越好。具體的定義如下:

LHP系統(tǒng)熱阻

(1)

蒸發(fā)器熱阻

(2)

式中Theat——熱源加熱面溫度;

Tevap——蒸發(fā)器出口蒸汽溫度;

Tcond——冷凝器進(jìn)出口平均溫度;

Q——所加熱負(fù)荷。

圖7為LHP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在水平狀態(tài)以及重力傾角10° 條件下，LHP系統(tǒng)熱阻與蒸發(fā)器熱阻隨熱負(fù)荷變化的情況。如圖7所示，兩種系統(tǒng)姿態(tài)條件下，LHP系統(tǒng)熱阻與蒸發(fā)器熱阻均隨熱負(fù)荷增大而減小，最后穩(wěn)定于同一水平，水平狀態(tài)下Q=60 W時(shí)，蒸發(fā)器熱阻0.139 ℃/W，重力輔助姿態(tài)下，熱負(fù)荷為150 W時(shí)，蒸發(fā)器熱阻0.123 ℃/W。同時(shí)，低負(fù)荷條件下，重力輔助狀態(tài)蒸發(fā)器熱阻較水平狀態(tài)下更大，這是因?yàn)槭苤亓ψ饔?，冷凝器中有一部分液態(tài)工質(zhì)通過蒸汽管路回到蒸發(fā)器出口側(cè)，此時(shí)熱量有一部分通過工質(zhì)顯熱帶走，因此蒸發(fā)器熱阻較大。當(dāng)熱負(fù)荷升高后，氣液界面向液體管路側(cè)遷移，蒸汽段回流工質(zhì)減少，系統(tǒng)熱量通過工質(zhì)相變傳遞，蒸發(fā)器熱阻隨之減小。LHP系統(tǒng)熱阻方面，不同熱負(fù)荷時(shí)，重力輔助狀態(tài)下系統(tǒng)熱阻較小，這是由于重力作用，液態(tài)工質(zhì)更容易回流補(bǔ)償腔，回流工質(zhì)含液率更高，能夠?qū)ρa(bǔ)償腔進(jìn)行有效降溫，吸收側(cè)壁傳導(dǎo)的熱量，從而使整個(gè)系統(tǒng)溫度降低，減小系統(tǒng)熱阻。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制作了一種縱向供液式甲醇-銅LHP系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)在水平姿態(tài)與重力傾角10° 條件下各項(xiàng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過本文的研究，可以得到如下結(jié)論：

(1)冷凝溫度為5℃，加熱壁面溫度不超過100℃情況下，水平狀態(tài)系統(tǒng)可以在熱負(fù)荷20～60 W成功啟動(dòng)運(yùn)行，最小熱阻0.139 ℃/W。重力傾角10°時(shí)系統(tǒng)可以在熱負(fù)荷10～150 W成功啟動(dòng)運(yùn)行，最小熱阻0.123 ℃/W。

(2)水平狀態(tài)下啟動(dòng)測試，低負(fù)荷時(shí)容易出現(xiàn)“溫度過沖”現(xiàn)象，高負(fù)荷時(shí)啟動(dòng)后難以完全穩(wěn)定，分析原因是縱向供液結(jié)構(gòu)使“側(cè)壁導(dǎo)熱”現(xiàn)象加劇，補(bǔ)償腔處于氣液兩相。重力傾角10° 時(shí)，工質(zhì)更易回流，能對(duì)補(bǔ)償腔進(jìn)行更好冷卻，抑制了這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(3)重力傾角10°條件下，變負(fù)荷性能測試，隨著熱負(fù)荷增加，補(bǔ)償腔氣化加劇，蒸發(fā)器入口處溫度波動(dòng)幅度增加，預(yù)測在熱負(fù)荷進(jìn)一步增加時(shí)，系統(tǒng)會(huì)因補(bǔ)償腔沸騰失效。

(4)不同系統(tǒng)姿態(tài)下，LHP系統(tǒng)熱阻及蒸發(fā)器熱阻均隨熱負(fù)荷增加而減小，相同熱負(fù)荷條件下，重力輔助狀態(tài)LHP系統(tǒng)熱阻相比于水平狀態(tài)更小。同時(shí)，低負(fù)荷情況下，水平狀態(tài)蒸發(fā)器熱阻更小。