激光制備微熱管傳熱分析與沸騰實(shí)驗(yàn)研究

魏 昕，李成彬，謝小柱，胡 偉

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

熱管的原理是用工作液體在某一端受熱情況下溫度迅速上升達(dá)到其沸點(diǎn)，由工作液體變成氣態(tài)攜帶熱量至冷凝端，熱量在冷凝端散去，而工作氣體也由于溫度低變成液體，再因?yàn)槊?xì)壓力工作液體回流。由于受熱不斷產(chǎn)生熱量，所以形成一個(gè)不斷循環(huán)的熱量傳遞模式，正因?yàn)榇?，熱管在傳熱方面有較大的研究意義[1]。

熱管技術(shù)在當(dāng)今被認(rèn)定是一種不可或缺的技術(shù)，它隨著時(shí)代的進(jìn)步理論不斷完善，并且成功應(yīng)用于生活乃至航空等各個(gè)領(lǐng)域。比如熱管換熱器、電子元器件冷卻以及一些工業(yè)設(shè)備都離不開(kāi)熱管技術(shù)[2]。在航空技術(shù)中，熱管由于自身的特性無(wú)重力下工作且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常受航天應(yīng)用的青睞，應(yīng)用最廣的是在溫控方面，比如應(yīng)用在航天飛船里某些裝置的散熱器或者需要低溫制冷的裝置等。而在地面上應(yīng)用更為廣泛，電子、太陽(yáng)能、醫(yī)療、機(jī)械等都有應(yīng)用，且有較大的前景[3]。許多新型熱管已經(jīng)批量生產(chǎn)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際當(dāng)中。隨著研究深入，成本降低、熱管技術(shù)的不斷成熟、以及制作工藝的提高，熱管應(yīng)用在各行各業(yè)越來(lái)越普遍，有較大的優(yōu)勢(shì)和潛力。

研究者主要針對(duì)熱管的傳熱性能、吸液芯結(jié)構(gòu)、材料的選擇、加工工藝等方向。對(duì)溝槽熱管傳熱性能理論研究主要集中在建立理論模型和軟件計(jì)算來(lái)研究其傳熱性能[4]。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型以及分析熱管內(nèi)部傳熱機(jī)理來(lái)研究其傳熱性能，比如分析溝槽的尺寸、工作液體的溫度流速、以及工作時(shí)的傾角等[5]。傳熱性能主要以當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻、熱量等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。吸液芯結(jié)構(gòu)有多種結(jié)構(gòu)，比如SOG 結(jié)構(gòu)、矩形、雙微溝槽等新型結(jié)構(gòu)[7]。材料的選擇主要以銅、鋁等金屬與水、乙醇、丙酮等工作液體的相容性有關(guān)，具體參照這些物質(zhì)的物理特性進(jìn)行合理搭配[8]。加工工藝可以分為機(jī)械加工與特種加工，機(jī)械加工主要有沖壓、刀具切削等[9]，特種加工主要有化學(xué)蝕刻法、電解、激光加工等[10]。綜合所說(shuō)，由于熱管越來(lái)越微型化，需要針對(duì)新型熱管完善其理論分析，對(duì)加工工藝方面需要更高的要求，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

針對(duì)以上微熱管結(jié)構(gòu)理論分析與制作方法的不足和現(xiàn)今對(duì)電子產(chǎn)品散熱提出更高的要求，提出建立針翅結(jié)構(gòu)理論模型，使用MATLAB 軟件計(jì)算出最優(yōu)解，再采用激光技術(shù)制備出針翅結(jié)構(gòu)平板微熱管，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 針翅平板微熱管傳熱分析

在進(jìn)行針翅的傳熱分析中，做出如下假設(shè)：（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；（2）針翅的導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度和方向而變化；（3）針翅的尺寸較小，因此針翅表面和中心線上的溫度差與針翅和流體的溫度差相比可以忽略；（4）針翅與底板之間沒(méi)有接觸熱阻。目標(biāo)函數(shù)則在一定傳熱量下，使針翅的體積最小和整個(gè)針翅結(jié)構(gòu)所占據(jù)的體積最小。

根據(jù)針翅傳熱分析做出的假設(shè)再接著提出邊界條件，主要有以下幾個(gè)：

（1）針翅高度針翅高度不能太長(zhǎng)也不能太短，太短會(huì)會(huì)會(huì)導(dǎo)致翅化系數(shù)低，降低傳熱系數(shù)。太長(zhǎng)導(dǎo)致?lián)Q熱效率低，針翅高度為0.1mm＜h＜0.5mm。

（2）針翅寬度針翅寬度不宜過(guò)小將引起針翅效率下降和翅化系數(shù)降低，不利強(qiáng)化傳熱，針翅寬度0.1mm＜w＜0.5mm。

（3）針翅橫向與縱向間距當(dāng)針翅間距減小時(shí)，針翅的數(shù)量增多，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)提高，增加氣液之間的傳熱，提高傳熱性能。當(dāng)針翅間距過(guò)小時(shí)，容易影響針翅之間的工作液體流動(dòng)，不能有利于提高傳熱性能，故0.2mm＜sh＜1mm。

忽略熱管加熱面與外部熱源的接觸熱阻，則蒸發(fā)段的熱阻模型為熱管基板傳熱熱阻和針翅結(jié)構(gòu)傳熱熱阻之和。其式如下：

式中：h—蒸發(fā)段熱管傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

h1—銅板導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）；

hj—針翅結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Aj—單個(gè)針翅結(jié)構(gòu)所占的橫截面積，m2；

A1—整個(gè)針翅結(jié)構(gòu)所占的橫截面積，m2。

設(shè)針翅結(jié)構(gòu)蒸發(fā)段的寬度、高度、以及間距等因素代入上述式中。

其式如下：

式中：L—溝槽的長(zhǎng)度，m；W1—針翅的寬度，m；W2—溝槽的寬度，m；H—針翅的高度，m；S—針翅的間距，m；δ—溝槽的深度，m。

由上式，在單位傳熱量下，目標(biāo)函數(shù)所占體積最小，經(jīng)過(guò)軟件MATLAB 計(jì)算可得出針翅的結(jié)果。

設(shè)針翅結(jié)構(gòu)冷凝段與絕熱段的高度、寬度、以及間距、深度等因素代入上述式中，其式如下：

式中：L—溝槽的長(zhǎng)度，m；W1—針翅的寬度，m；W2—溝槽的寬度，m；H—針翅的高度，m；S—針翅的間距，m；δ—溝槽的深度，m。

由上式，在單位傳熱量下，目標(biāo)函數(shù)所占體積最小，經(jīng)過(guò)軟件MATLAB 計(jì)算可得出針翅的結(jié)果，其結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 蒸發(fā)端冷凝段計(jì)算結(jié)果Fig.1 The Calculation Results of Condenser and Evaporation Section

3 針翅平板熱管激光制備與傳熱實(shí)驗(yàn)

采用激光制造多功能可協(xié)調(diào)脈沖波長(zhǎng)1064nm 光纖激光加工設(shè)備進(jìn)行針翅結(jié)構(gòu)微熱管制備，最大重復(fù)頻率：1000kHz，光束質(zhì)量M2＜1.5 等。此激光器主要工藝參數(shù)包括掃描速度（最大2000mm/s）、掃描次數(shù)、功率（最大 20W）、頻率和脈寬（4～200）ns等。使用該激光器加工針翅溝槽結(jié)構(gòu)，針翅尺寸（0.2×0.2×0.3）mm設(shè)置掃描次數(shù) 6 次，掃描速度 300mm/s，脈寬 200ns，20kHz，功率100%。

沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)裝置由加熱銅棒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、沸騰池、以及裝置等組成。以溫差作為評(píng)價(jià)平板微熱管傳熱性能的指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2 所示。

圖2 沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Boiling Heat Transfer Experiment Platform

熱電偶的布置位置如下：在加熱面上布置2 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)T1和T2，用于測(cè)定加熱面的溫度，沸騰池中同樣布置2 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)T3和T4，用來(lái)測(cè)量水沸騰時(shí)的溫度。平板微熱管兩端溫差：

式中：ΔT—熱管蒸發(fā)段與冷凝段的差值，℃；T1、T2—蒸發(fā)段溫度，℃；T3、T4—冷凝段溫度，℃。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 針翅高度對(duì)傳熱性能的影響

熱管依靠液體相變傳遞熱量，而針翅的結(jié)構(gòu)影響液體蒸發(fā)換熱。從溫差與加熱面溫度關(guān)系圖中顯示，當(dāng)針翅高度為0.3mm時(shí)，沸騰兩端面的溫差在90℃時(shí)達(dá)到最高2.2℃，此時(shí)溫差當(dāng)其他針翅高度時(shí)最小，從而說(shuō)明其傳熱效果最明顯，從隨著加熱面溫度從50℃遞增到70℃時(shí)，溫差在逐步遞增，而當(dāng)加熱面溫度增大到80℃時(shí)，溫差下降到1.8℃，這是因?yàn)獒槼岜砻嫠疁厣?，加速蒸發(fā)而攜帶走了大部分熱量，引起了溫差降低的現(xiàn)象，從而也說(shuō)明沸騰換熱是可以影響傳熱性能，而當(dāng)加熱面溫度達(dá)到了90℃時(shí)，溫差由原來(lái)的1.8℃上升到2℃，這是因?yàn)檎舭l(fā)端表面積聚了大量的氣泡，形成了一張氣模阻礙了氣液之間的蒸發(fā)換熱，降低了傳熱性能，最終導(dǎo)致了溫度升高。而當(dāng)加熱面溫度達(dá)到了100℃時(shí)，蒸發(fā)液膜發(fā)生由蒸發(fā)換熱轉(zhuǎn)化成沸騰換熱，加速了氣液之間的轉(zhuǎn)換，從而帶走了更多的熱量，降低了溫度。不同針翅高度溫差變化規(guī)律，如圖3 所示。

圖3 不同針翅高度溫差變化規(guī)律Fig.3 Temperature Regularity of Difference Pin-Fin Height

4.2 針翅寬度對(duì)傳熱性能的影響

圖4 不同針翅寬度溫差變化規(guī)律Fig.4 Temperature Regularity of Difference Pin-Fin Width

在當(dāng)針翅寬度為0.2mm，隨著加熱面溫度的升高，沸騰池兩側(cè)的溫差先增大后減少，當(dāng)加熱面溫度達(dá)到70℃時(shí)，溫差達(dá)到2.9℃，這是因?yàn)榧訜釡囟壬?，氣液面進(jìn)行一些小規(guī)模的換熱，而底面的溫度上升的比氣液面快，所以溫差逐漸增大。當(dāng)加熱溫度達(dá)到70℃以后，溫差反而下降，因?yàn)樾∫?guī)模的換熱變成大規(guī)模的沸騰換熱，由氣體帶走大量的潛熱，使上下兩面的溫差逐步減小。當(dāng)加熱面溫度達(dá)到90℃時(shí)，溫差2℃，由于大量的氣膜在氣液表面不停地潰滅以及底面的氣泡不停地生長(zhǎng)與上升，帶動(dòng)了大量熱量交換。當(dāng)針翅高度偏高或者偏低時(shí)，溫差基本維持在3℃以上。不同針翅寬度溫差變化規(guī)律，如圖4 所示。

4.3 縱向間距對(duì)傳熱性能的影響

當(dāng)針翅縱向間距為0.3mm 時(shí)，沸騰池的平均溫差保持在3.5℃左右，當(dāng)加熱面溫度50℃加熱至60℃時(shí)，溫差逐步升高，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，溫差反而下降，這是因?yàn)橄掳氩康乃疁囟壬?，而處于氣液界面的水溫度還沒(méi)有上升的快，所以溫差逐漸增大，當(dāng)溫度上升到70℃時(shí)，沸騰池中的氣泡逐漸增多，形成較大的氣泡膜，隔絕了大部分熱量，隨著溫度繼續(xù)升高，水快達(dá)到沸點(diǎn)，液體加速變成水蒸氣，從而攜帶走更多的熱量，使溫差反而下降。不同縱向間距溫差變化規(guī)律，如圖5 所示。

圖5 不同縱向間距溫差變化規(guī)律Fig.5 Temperature Regularity of Difference Longitudinal Distance

4.4 橫向間距對(duì)傳熱性能的影響

加熱面溫度由50℃加熱到70℃時(shí)，沸騰池兩端的溫差由3.1℃下降到2.9℃，當(dāng)加熱面溫度由70℃上升到100℃時(shí)，沸騰池兩端的溫差繼續(xù)上升，在加熱面溫度為70℃時(shí)，沸騰池兩端的溫差最低。說(shuō)明針翅橫向間距0.3mm 在加熱面溫度為70℃時(shí)，溫差最小。不同橫向間距溫差變化規(guī)律，如圖6 所示。

圖6 不同橫向間距溫差變化規(guī)律Fig.6 Temperature Regularity of Difference Transverse Distance

5 結(jié)論

（1）建立針翅結(jié)構(gòu)的平板微熱管數(shù)學(xué)模型，在單位傳熱量下，目標(biāo)函數(shù)所占體積最小。

（2）通過(guò)MATLAB 軟件根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出針翅的高0.3mm，寬0.2mm，橫向間距0.3mm，縱向間距0.3mm。

（3）通過(guò)沸騰實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算出的結(jié)果，搭建沸騰池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最終以溫差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，當(dāng)針翅高度為0.3mm 時(shí)，沸騰兩端面的溫差在90℃時(shí)達(dá)到最高2.2℃，當(dāng)針翅寬度為0.2mm，隨著加熱面溫度的升高，沸騰池兩側(cè)的溫差先增大后減少，當(dāng)加熱面溫度達(dá)到70℃時(shí)，溫差達(dá)到2.9℃，當(dāng)針翅縱向間距為0.3mm 時(shí)，沸騰池的平均溫差保持在3.5℃，針翅橫向間距0.3mm 在加熱面溫度為70℃時(shí)，溫差最小。為以后研究針翅結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。