微型熱管的增材制造與傳熱性能分析*

沈 瓊，李志松

（1.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院 上海市在線檢測與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200233；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

隨著微機(jī)電技術(shù)的進(jìn)步，微納衛(wèi)星朝著精密化、復(fù)雜化和高集成度的方向發(fā)展[1]。微型化對(duì)于微納衛(wèi)星平臺(tái)的熱管理提出新的挑戰(zhàn)[2]。熱管作為常規(guī)航天器熱控設(shè)計(jì)的成熟工具，是實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星平臺(tái)高效導(dǎo)熱和均溫化的有力措施[3]。然而由于已有的制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)航天器熱管的小型化，致使國內(nèi)外微納衛(wèi)星的熱控設(shè)計(jì)中迄今鮮有熱管的身影。目前航天器熱控用熱管主要為多槽道鋁-氨熱管，其管殼型材是利用精密模具和金屬拉拔工藝熱擠壓成形。采用該方法制造小型化熱管存在下述問題：（1）利用熱擠壓成形工藝生產(chǎn)的多槽道熱管不易實(shí)現(xiàn)小型化。目前國內(nèi)航天部門以此工藝制造的最小的槽道熱管型材，截面為3.5mm×5mm矩形，無法滿足尺寸要求；（2）精密模具的生產(chǎn)成本高昂且使用壽命有限，這對(duì)于尚在試驗(yàn)評(píng)估階段，只需少量生產(chǎn)的熱管而言難以接受；（3）將普通熱管按比例縮小而成的小型熱管性能往往不佳，液相工質(zhì)的流動(dòng)阻力會(huì)因槽道變窄而成指數(shù)級(jí)增大，從而導(dǎo)致傳熱能力下降。

上述鋁-氨熱管為凹槽結(jié)構(gòu)，其毛細(xì)性能較弱。因此一些民用電子散熱采用的金屬粉末燒結(jié)熱管，主要為銅-水熱管，其直徑可達(dá)4mm，且工作熱流密度和反重力能力遠(yuǎn)優(yōu)于槽道熱管。但燒結(jié)熱管無法應(yīng)用到普通航天器的熱控上，主要原因之一是水作為工質(zhì)無法適應(yīng)衛(wèi)星的工作溫度；二是若采用氨工質(zhì)配合鋁合金管殼，鋁粉的多孔燒結(jié)問題工業(yè)界至今尚未解決。針對(duì)上述問題，為突破小型熱管的研制瓶頸，本研究從以下兩方面入手：一是從管殼的加工手段出發(fā)進(jìn)行創(chuàng)新，擺脫模具熱擠壓方法對(duì)型材尺寸和成本的限制；二是對(duì)熱管吸液芯的設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新，簡化結(jié)構(gòu)，降低加工安裝難度，并減小工質(zhì)流動(dòng)阻力，提高熱管傳熱能力。

3D打印技術(shù)用于熱管制造的可能性在國內(nèi)外都曾受到關(guān)注[4-7]?，F(xiàn)有的研究認(rèn)為通過專門的CAD軟件設(shè)計(jì)出空間點(diǎn)陣柵格的多孔結(jié)構(gòu)形式，再利用3D金屬打印技術(shù)將其與熱管的管殼一起打印，可單獨(dú)制作出多孔毛細(xì)芯熱管，以克服以往金屬粉末多孔燒結(jié)工藝中無法燒結(jié)鋁粉的缺點(diǎn)。英國Northumbria大學(xué)與Thermacore歐洲分公司合作，利用SLM技術(shù)試制出多根外徑14mm的熱管短試樣[8]，雖然SLM技術(shù)打印的管殼致密度達(dá)不到100%，但試驗(yàn)中密封性未出現(xiàn)問題。西班牙的Esarte等人[9]利用SLM技術(shù)和類似的空間設(shè)計(jì)方法打印出環(huán)路熱管的316不銹鋼主吸液芯，對(duì)吸液芯的基本性能進(jìn)行了測定，并成功進(jìn)行了環(huán)路熱管的傳熱試驗(yàn)。

本文采用3D金屬打印制造小型熱管管殼，采用不銹鋼螺旋線作為毛細(xì)結(jié)構(gòu)裝配放入管殼中，組裝成完整的小型熱管，并對(duì)其性能進(jìn)行測試，證明了將3D金屬打印運(yùn)用到熱管制造方面的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱管管殼與毛細(xì)芯的布置如圖1和圖2所示。熱管主要由管殼和緊繞螺旋彈簧兩個(gè)零件組成，管殼部分包括了管壁、蒸發(fā)段和冷凝段用于擴(kuò)展接觸面積的翅片以及充裝管。熱管有效長度210mm，管壁和翅片的厚度均為0.4mm，三角形管殼的邊長為4mm，當(dāng)量直徑小于3mm，一段連接長度為40mm的充裝管，與管殼一體化成形。其中不銹鋼螺旋線作為毛細(xì)結(jié)構(gòu)，將管殼內(nèi)部空間分成蒸汽槽道和液相槽道兩部分[10]。彈簧采用工業(yè)市場上的現(xiàn)成產(chǎn)品，線徑0.3mm。熱管的制作主要在于管殼部分的加工，充裝管外徑以現(xiàn)有熱管充裝設(shè)備的安裝口為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。熱管內(nèi)充裝高純度（99.9999%）的氨作為工質(zhì)。

圖1 熱管橫截面示意圖

圖2 熱管整體外形示意圖

1.2 3D金屬打印快速制造

熱管管殼采用西安鉑利特激光成形技術(shù)有限公司研制的BLT-S300選區(qū)激光熔化成形（SLM）設(shè)備制造，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。整機(jī)由激光及輔助設(shè)備、氣體過濾凈化系統(tǒng)、成形裝置、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五部分組成。雖然SLM技術(shù)分層成形過程中的單層層厚可以低至0.02mm，但是對(duì)于一些細(xì)微部件，如這次要加工的熱管管殼薄壁件，其由于加工時(shí)受熱脹冷縮的影響，某些地方幾何尺寸精度只能達(dá)到0.2~0.3mm。因此為了提高產(chǎn)品預(yù)期精度和生產(chǎn)一次性合格率，此次3D打印加工須充分考慮零部件的具體幾何特征與分層成形的增材方向，并結(jié)合以往3D打印加工材料的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝細(xì)節(jié)設(shè)置。為了降低打印時(shí)的難度，熱管管殼采取橫躺的方式打印，以熱管管殼中曲率變化大的內(nèi)圓角優(yōu)先作為基準(zhǔn)點(diǎn)擺放。管殼雖然是薄壁結(jié)構(gòu)，但由于面積不大，所以打印過程中結(jié)構(gòu)變形的問題并不嚴(yán)重。

表1 BLT-S300 SLM成形機(jī)技術(shù)參數(shù)

熱管管殼的3D金屬打印制作分別使用了316不銹鋼和6061鋁合金材料，單個(gè)管殼打印時(shí)間約1小時(shí)，打印結(jié)束后需要用線切割工藝分離底座，并進(jìn)行熱處理以降低內(nèi)應(yīng)力。打印完成后，經(jīng)過除油、清洗、烘干等程序，在管殼內(nèi)裝入毛細(xì)結(jié)構(gòu)，一端通過焊接進(jìn)行密封，另一端的充裝管安裝上連接接頭，最后經(jīng)過檢漏和工質(zhì)充裝，所得完整的熱管完成產(chǎn)品如圖3所示。熱管管殼的內(nèi)外表面有一定粗糙度，管殼外徑幾何最大誤差約0.2mm。原設(shè)計(jì)中管殼內(nèi)應(yīng)能裝入直徑1.4mm的毛細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)際裝配過程中發(fā)現(xiàn)只能裝入直徑1.2mm的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。此外翅片厚度的誤差最大，原設(shè)計(jì)厚度為0.4mm，打印后產(chǎn)品的測量值達(dá)到了0.8mm，這應(yīng)該與底面較大的粗糙度和打印時(shí)底面作為支承的原始打印起點(diǎn)有較大關(guān)系。3D打印后未作表面處理類似于鑄件，呈灰色狀態(tài)。在焊接過程中，3D打印的管殼焊接性能良好；充裝管在安裝連接接頭前，其中不銹鋼熱管的部分長度利用車床進(jìn)行了車削加工，使充裝管的外徑由打印后輪廓較粗糙的5mm縮小至精確的4mm，車削加工后的表面光滑整潔，未發(fā)現(xiàn)有沙眼、氣孔和雜質(zhì)等打印缺陷；在真空檢漏的過程中，也未發(fā)現(xiàn)3D打印的管殼存在泄漏的問題。不銹鋼由于自身硬度的原因，不易實(shí)現(xiàn)冷焊變形，因此不銹鋼熱管利用卡套接頭連接一段鋁管后進(jìn)行冷焊密封。而6061鋁合金打印以后其硬度和塑性也發(fā)生了變化，材質(zhì)變得非常硬，冷焊試驗(yàn)并不成功，所以也通過焊接上一段普通鋁管再進(jìn)行冷焊。

圖3 3D金屬打印小型不銹鋼熱管完成實(shí)物

1.3 性能測試

3D金屬打印小型熱管的基本傳熱性能實(shí)驗(yàn)測定在上海衛(wèi)星工程研究所的空間機(jī)熱一體化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。熱管的蒸發(fā)段采用電加熱片作為熱源，加熱片長度約3cm；由于小型熱管傳熱功率較小，故冷凝段采用風(fēng)冷的方式散熱。溫度的測量采用T型熱電偶，測溫精度優(yōu)于0.5℃。熱電偶粘附于熱管管殼的外側(cè)，并采取局部隔熱措施。具體的蒸發(fā)段、冷凝段分布、包裹隔熱材料進(jìn)行絕熱保護(hù)的部分和各溫度測量點(diǎn)位置分布如圖4所示，其中測點(diǎn)1至5距離熱管最左端的距離分別為4cm，5cm，8cm，12cm和17cm。數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄采用Keithley 2750數(shù)據(jù)采集儀，溫度數(shù)據(jù)每2秒采集一次。實(shí)驗(yàn)時(shí)熱管為水平放置，工質(zhì)按計(jì)算值的100%充裝，實(shí)驗(yàn)時(shí)室內(nèi)氣溫為21~22℃。

圖4 小型熱管熱電偶測點(diǎn)分布圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加熱功率下熱管性能測試

熱管分別在加熱功率1W和2W的狀態(tài)下進(jìn)行傳熱性能測試，從啟動(dòng)到初步達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的情況如圖5（a）（b）所示。圖5（a）中可以看到，當(dāng)加熱功率為1W時(shí)，距離蒸發(fā)段較遠(yuǎn)的測量點(diǎn)溫度升高較晚，測點(diǎn)5在加熱片開始工作250秒以后才開始啟動(dòng)，但啟動(dòng)后溫度上升非常快。當(dāng)熱管工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，蒸發(fā)段和冷凝段最大溫差在2℃以內(nèi)，考慮到熱電偶的測量誤差，這個(gè)溫差難以用于評(píng)估熱管的傳熱性能。蒸發(fā)段加熱功率升高為2W時(shí)，測點(diǎn)1、2、3的啟動(dòng)速度較快且較為一致，測點(diǎn)4啟動(dòng)時(shí)間基本不變，而測點(diǎn)5在實(shí)驗(yàn)全程始終沒有啟動(dòng)，溫度維持當(dāng)時(shí)氣溫值。當(dāng)加熱功率達(dá)到2.5W時(shí)，蒸發(fā)段開始出現(xiàn)局部燒干，熱管無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工作，因此實(shí)驗(yàn)沒有繼續(xù)進(jìn)行。根據(jù)以上兩個(gè)記錄的工況，熱管達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度沿長度分布如圖6所示。當(dāng)蒸發(fā)段的發(fā)熱功率為2W時(shí)，冷熱端的平均溫差約6.14℃，實(shí)驗(yàn)中熱管總有效長度大于17cm，傳熱距離約9cm，熱管的橫截面積約6.79mm2，可以算得此時(shí)熱管的等效導(dǎo)熱率達(dá)到4323W·m-1·K-1，約為銅的11倍。這表明3D金屬打印熱管能夠有效工作，實(shí)現(xiàn)熱源驅(qū)動(dòng)的兩相傳熱傳質(zhì)。

圖5 小型熱管的啟動(dòng)狀態(tài)溫度變化圖

圖5中的熱管啟動(dòng)特性顯示，距離蒸發(fā)段越遠(yuǎn)，局部測點(diǎn)的啟動(dòng)越困難甚至始終不啟動(dòng)，圖6中的溫度分布曲線顯示當(dāng)熱管傳熱功率升高到一定程度時(shí)，冷熱端的溫差急劇增大。這些現(xiàn)象說明了熱管中工質(zhì)流動(dòng)阻力較大，不論是液相還是氣相。這其中的原因，一方面是小型熱管橫截面積小所固有的不利之處，另一方面是3D打印過程中在管殼內(nèi)部的粗糙表面進(jìn)一步縮小了槽道的面積和增大了流動(dòng)的阻力。圖5（a）中測點(diǎn)5啟動(dòng)后溫度上升非常快，這帶來了熱管中可能存在不凝性氣體的疑問。熱管工作時(shí)，不凝性氣體會(huì)因?yàn)榘闭羝鲃?dòng)夾帶作用集中在冷凝段的末端。由于氨的飽和蒸汽壓隨著溫度的上升而快速增大，冷凝段不凝性氣體的體積會(huì)在蒸發(fā)段蒸汽持續(xù)增強(qiáng)的擠壓下不斷縮小。如果測點(diǎn)5在啟動(dòng)前周圍是不凝性氣體，熱管工作溫度升高后開始接觸氨蒸汽，測點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳熱啟動(dòng)、溫度快速上升是順理成章的。但是對(duì)比圖5（a）（b），當(dāng)加熱功率為2W時(shí)，蒸發(fā)段的穩(wěn)態(tài)溫度更高，氨的蒸汽壓比加熱功率為1W時(shí)的更大，測點(diǎn)5此時(shí)應(yīng)該更不受不凝性氣體的影響。此外，負(fù)責(zé)3D金屬打印的西安鉑利特公司確認(rèn)了增材制造所使用的具體設(shè)備一直以來只使用單一原料粉末，不含其他金屬粉末的雜質(zhì)，熱管中異種金屬通過電化學(xué)原理在短期內(nèi)產(chǎn)生不凝性氣體的可能性也不大。因此圖5（b）中測點(diǎn)5始終沒有啟動(dòng)應(yīng)與不凝性氣體無關(guān)，而可以歸結(jié)于熱管內(nèi)部通道粗糙，工質(zhì)流動(dòng)阻力過大，工質(zhì)蒸汽難以到達(dá)測點(diǎn)5所在的遠(yuǎn)處。

圖6 不同加熱功率時(shí)小型熱管在穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度分布圖

2.2 彎熱管與直熱管性能對(duì)比

熱管在航天器的熱控設(shè)計(jì)中，往往需要根據(jù)所給散熱表面的幾何形狀進(jìn)行彎曲。因此熱管彎曲以后的傳熱性能也是重要的考查對(duì)象。經(jīng)彎曲整形處理以后的兩根鋁合金熱管與直熱管的外形對(duì)比，如圖7所示。彎曲后的3D打印熱管在充裝和檢漏過程中未出現(xiàn)異常。直熱管與彎曲熱管的傳熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其蒸發(fā)段、絕熱段與冷凝段設(shè)置與前述相同?？紤]到熱管彎曲以后可能會(huì)出現(xiàn)局部溫度分布不均的狀況，實(shí)驗(yàn)中增加了溫度測點(diǎn)的數(shù)量。當(dāng)傳熱功率為1W時(shí)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。直熱管與彎曲熱管之間的穩(wěn)態(tài)溫度分布大體一致，驗(yàn)證了熱管彎曲后工作的有效性。其中直熱管的溫度一致性相對(duì)較好，而彎曲熱管出現(xiàn)一些局部的小波動(dòng)，這與熱管彎曲的曲率導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大、同一截面處工質(zhì)流動(dòng)不均、彎曲處截面積減小等因素有關(guān)。

圖7 3D打印的直熱管與經(jīng)整形后的3D打印彎曲熱管

圖8 彎曲熱管與直熱管在傳熱功率為1W時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度分布

3 結(jié)論

本文針對(duì)小型熱管在管殼、毛細(xì)結(jié)構(gòu)制備方面的難點(diǎn)，采用3D金屬打印技術(shù)制造了小型熱管，初步實(shí)現(xiàn)了兩相傳熱傳質(zhì)的設(shè)計(jì)目的。本研究為小型熱管的低成本開發(fā)開辟了一條新的道路，同時(shí)小型熱管的激光熔化成形快速制造為中國3D金屬打印形成了新的應(yīng)用方向。本文主要結(jié)論如下：

（1）3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于制備小型熱管，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高傳熱效率與低生產(chǎn)成本的雙贏。

（2）3D打印小型熱管冷熱端的平均溫差隨著功率的增大而增大，當(dāng)蒸發(fā)段的發(fā)熱功率為2W時(shí)，冷熱端的平均溫差約6.14℃，熱管傳熱距離約9cm，熱管的等效導(dǎo)熱率可達(dá)4323W·m-1·K-1。

（3）彎熱管與直熱管的穩(wěn)態(tài)溫度一致性較好，可說明熱管彎曲后工作的有效性。

同時(shí)，本文研究也存在著一些不足。由于小型熱管對(duì)于管殼的材料和加工質(zhì)量等要求較高，而此次3D打印熱管管殼的內(nèi)表面粗糙度超出設(shè)計(jì)指標(biāo)，導(dǎo)致熱管的等溫性和傳熱能力等基本指標(biāo)受到了一定的不利影響，以后需要針對(duì)這個(gè)問題，分別從熱管的設(shè)計(jì)和3D打印的加工上進(jìn)行改進(jìn)。