基于石墨烯涂層的熱管散熱器散熱性能研究*

徐 微,李守智,陳澤昕,李波波,吳家樂

(1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院 電氣與信息工程系,陜西 西安 710018； 2.西安理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710048；3.西安增材制造國(guó)家研究院有限公司,陜西 西安 710075)

0 引 言

開關(guān)器件是電源最核心的器件,其工作溫度水平影響著電源質(zhì)量。隨著電源的高頻化、小型化、大功率化,開關(guān)器件的散熱要求也隨之提高。目前,大功率高頻開關(guān)器件散熱主要是水冷方式,此種方式需要水箱,限制了電源輕量化和小型化發(fā)展[1]。熱管作為當(dāng)下導(dǎo)熱性能較好的傳熱器件,隨著價(jià)格的親民化,已逐漸從航天、航空領(lǐng)域應(yīng)用到開關(guān)器件散熱領(lǐng)域[2～4]。它是利用蓄熱介質(zhì)毛細(xì)力循環(huán)作用的一種換熱器件,傳遞的熱量和速度比銀、銅等金屬大幾百倍[5]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱管散熱器性能增強(qiáng)的研究主要從熱管的等溫性、結(jié)構(gòu)、內(nèi)部工質(zhì)、重力、充液率等方面進(jìn)行[6～10]。隨著具有超高導(dǎo)熱率石墨烯材料出現(xiàn),一些國(guó)內(nèi)外科研人員將石墨烯應(yīng)用于導(dǎo)熱散熱領(lǐng)域[11]。周赟磊等人提出了一種新型的微通道散熱器,并且在傳熱板的下表面覆加了具有超高熱導(dǎo)率的石墨烯層,改善了散熱器效果[12]。Kung F等人將石墨烯納米顆粒共混到環(huán)氧聚酯粉末中涂抹在鋁板上,發(fā)現(xiàn)具有高發(fā)射率的石墨烯薄層可以改善金屬基板的散熱性能[13]。Liu Y等人提出來一種石墨烯增強(qiáng)熱管,實(shí)驗(yàn)熱管長(zhǎng)度分別是90,120,150 mm,該熱管是由具有納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)內(nèi)表面的高導(dǎo)熱石墨烯組裝膜制成,研究結(jié)果表明,該熱管的散熱能力顯著提高[14]。Li X F等人為石墨烯金屬基質(zhì)復(fù)合材料建造了一條新的電子導(dǎo)熱路線,在100 ℃下,導(dǎo)熱率可達(dá)497 W/(m·K)[15]。王亞欽等人進(jìn)行了常用油漆和石墨烯油漆的變壓器溫升試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)石墨烯油漆涂層片與常用油漆涂層片散熱效率基本一致[16]。

但是,將石墨烯用于改進(jìn)熱管散熱器性能的文獻(xiàn)很少,本文搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和仿真模型,研究不同功率下,石墨烯涂層對(duì)熱管散熱器散熱性能的影響,具有一定的意義。

1 散熱原理

熱管分為3段,蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段,當(dāng)熱量進(jìn)入熱管的蒸發(fā)段時(shí),吸液芯的液體受熱汽化,蒸汽在微小的壓力差下向冷凝段運(yùn)動(dòng),并釋放出熱量,重新凝結(jié)成液體,冷凝液體在吸液芯的毛細(xì)力作用下流回到蒸發(fā)段再次進(jìn)行吸熱汽化。利用液汽相變,實(shí)現(xiàn)高效的傳熱和導(dǎo)熱[17]。

熱管涂覆石墨烯后有兩個(gè)主要的散熱途徑,一個(gè)是石墨烯涂層傳導(dǎo)的熱量,另外一個(gè)是相變傳導(dǎo)熱量,總傳熱記為Q,如式(1)所示

Q=QC+QP

(1)

式中QC為石墨烯涂層傳導(dǎo)的熱量,QP為相變傳導(dǎo)的熱量。

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論[18],石墨烯涂層傳導(dǎo)的熱量如式(2)所示

(2)

式中 ΔT為冷端與熱端溫度差,A為熱管橫截面積,L為熱管長(zhǎng)度,λ為石墨烯涂層導(dǎo)熱系數(shù)。

在熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下,涂覆導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300 W/(m·K)石墨烯后,由式(2)可以看出石墨烯可以增強(qiáng)熱管導(dǎo)熱性能,使熱量從蒸發(fā)段向冷凝器段快速傳遞。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,由恒流源、風(fēng)扇、石墨烯、溫度測(cè)控儀和熱管散熱器、被加熱金屬板組成。恒流源可調(diào)電流范圍0.5～2 A。風(fēng)扇風(fēng)速5 400 r/min,風(fēng)量1.175 m/min。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

溫度采集器MIK—R200T可測(cè)溫度范圍-20～500 ℃,測(cè)量精度0.5 ℃。熱管為L(zhǎng)型燒結(jié)式熱管,直徑8 mm,長(zhǎng)度分別為200,500 mm,充液率為50 %。石墨烯涂料為徑粒7～10 μm,徑厚比25 000的液體。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前,將石墨烯液體均勻涂覆在熱管散熱器的絕熱段、翅片上,并用80 ℃恒溫源烘干。物體安裝熱管散熱器前,將導(dǎo)熱硅脂均勻涂覆在物體和熱管散熱器基座接觸面,保證物體與熱管充分接觸,熱管散熱器冷凝段采用風(fēng)冷散熱。實(shí)驗(yàn)采用恒流源給物體加熱,通過調(diào)節(jié)恒流源電流大小實(shí)現(xiàn)不同的加熱功率。分析不同功率下,被加熱物體采用普通熱管散熱器和改進(jìn)后熱管散熱器物體溫度變化規(guī)律。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,每次實(shí)驗(yàn)室溫26 ℃,每?jī)纱螌?shí)驗(yàn)之間,保證熱管和被加熱物體完全冷卻,同一個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)量20次,取溫度平均值作為最終實(shí)際溫度[19]。實(shí)驗(yàn)設(shè)置電源輸出功率分別46.7,70.3,103.8,127.4 W。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 翅片涂覆石墨烯對(duì)散熱性能的影響

在熱管散熱器翅片上涂覆石墨烯,分析電源輸出功率分別為46.7,70.3,103.8,127.4 W時(shí),被加熱物體的溫度變化情況,如圖2所示。

圖2 翅片改進(jìn)前后物體溫度

圖2表明,以一定的功率給物體加熱,被加熱物體的溫度隨時(shí)間的增加而增加,當(dāng)加熱和散熱處于熱平衡后,物體表面溫度保持穩(wěn)定。熱管散熱器翅片涂覆石墨烯后物體穩(wěn)定溫度如表1所示,當(dāng)電源輸入功率為46.7,70.3,103.8,127.4 W時(shí),相比普通熱管散熱器,物體溫度下降了3.2 %,4.7 %,5.4 %,4.8 %。結(jié)果表明:熱管翅片涂覆石墨烯材料可以提升熱管散熱器的散熱性能。

表1 翅片涂覆石墨烯前后物體穩(wěn)定溫度

3.2 絕熱段涂覆石墨烯對(duì)熱管散熱器性能的影響

在熱管散熱器的絕熱段上涂覆石墨烯,研究不同電源輸入功率下,被加熱物體的溫度變化曲線,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同電源功率下,絕熱段改進(jìn)前后物體表面溫度

圖3表明,在相同電源輸入功率條件下,絕熱段涂敷石墨烯的熱管散熱器散熱效果優(yōu)于普通熱管散熱器。

熱管散熱器絕熱涂覆石墨烯后物體穩(wěn)定溫度如表2所示，當(dāng)電源輸入功率分別為46.7，70.3，103.8,127.4 W時(shí)，相比普通熱管散熱器，物體穩(wěn)定溫度分別下降了4.3 %、12.3 %、9.4 %、12.6 %。絕熱段涂覆石墨烯相較于翅片涂覆石墨烯，被加熱物體的溫度均有一定的下降，表明:石墨烯涂覆在絕熱段的效果優(yōu)于涂覆在翅片上效果。

表2 絕熱段涂覆石墨烯前后物體穩(wěn)定溫度

3.3 全涂覆石墨烯對(duì)熱管散熱器對(duì)性能的影響

在熱管散熱器的翅片和絕熱段同時(shí)涂覆石墨烯,研究不同輸入功率下,被加熱物體的溫度變化規(guī)律,結(jié)果如圖4所示。

圖4 全涂覆改進(jìn)前后物體表面溫度

圖4表明,在相同的電源輸入功率條件下，全涂覆石墨烯的熱管散熱器散熱效果優(yōu)于普通熱管散熱器。熱管散熱器全涂覆石墨烯物體穩(wěn)定溫度如表3所示，當(dāng)電源輸入功率為46.7，70.3，103.8，127.4 W時(shí)，相比普通熱管散熱器，物體穩(wěn)定溫度下降了7.4 %、16.1 %、11.9 %、15.6 %。以電源輸入功率70.3 W為例，熱管散熱器全涂敷石墨烯相較于絕熱段和翅片涂覆，物體溫度分別下降了3.8 %、11.4 %。結(jié)果表明：相較于翅片、絕熱段分別涂覆石墨烯，全涂覆后，物體穩(wěn)定溫度下降最為明顯,全涂覆后的熱管散熱器散熱效果最優(yōu)。

表3 全涂覆石墨烯物體穩(wěn)定溫度

4 有限元仿真分析

在SolidWorks中建立500 mm普通熱管散熱器及絕熱段涂覆石墨烯熱管散熱器改進(jìn)模型，使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成可進(jìn)行有限元計(jì)算的網(wǎng)格模型，并設(shè)定熱傳導(dǎo)為基本求解模型，對(duì)流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)，最后利用Ansys-Workbench中的穩(wěn)態(tài)熱模塊進(jìn)行熱分析。物體表面溫度如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后物體表面溫度分布云圖

當(dāng)熱通量10 W/m2時(shí)，對(duì)比圖5(a)和圖5(b)，改進(jìn)后的物體平均穩(wěn)定溫度相較改進(jìn)前下降了7.39 ℃，當(dāng)熱通量20 W/m2時(shí)，對(duì)比圖5(c)和圖5(d)，改進(jìn)后的物體平均溫度相較改進(jìn)前下降了14.65 ℃。不同熱通量下，改進(jìn)前后物體穩(wěn)定平均溫度如表4所示。

表4 不同熱通量下前后物體穩(wěn)定溫度

表4結(jié)果表明，涂覆石墨烯后熱管散熱器散熱效率顯著提高，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

5 結(jié) 論

本文研究了石墨烯涂層對(duì)熱管散熱器散熱性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：1)石墨烯涂層能夠提高熱管散熱器的散熱效率。2)石墨烯涂覆在熱管散熱器不同的位置，有不同的散熱效果。在絕熱段涂覆石墨烯散熱效果優(yōu)于翅片涂覆石墨烯，全涂覆效果最佳。3)在相同電源功率下，采用表面涂覆石墨烯的熱管散熱器，有更好的散熱效果，用較小體積熱管散熱器實(shí)現(xiàn)大的散熱效果，為電源的小型化提供了參考依據(jù)。