充液率對風(fēng)冷板式脈動熱管傳熱性能影響的實驗研究

范鵬杰，吳學(xué)群，盧 建，張方駒，方 堃

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著社會生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電子技術(shù)的進(jìn)一步需求，電子設(shè)備不斷向著集成化、微小型化、高功率化的方向飛速發(fā)展[1]。與此同時，電子器件產(chǎn)生的高熱耗、高熱流密度散熱問題日益凸顯。高熱耗、高熱流密度使得電子器件芯片結(jié)溫顯著升高，并在器件內(nèi)部及殼體產(chǎn)生不均勻的溫度分布，影響電子器件及設(shè)備工作的穩(wěn)定性。研究表明：單個電子器件的工作溫度每超過額定溫度10 ℃，其可靠性將降低50%，而超過55%的電子設(shè)備的失效形式是由散熱不良引起的[2]。在艦載、機載、彈載等環(huán)境條件受限的狹小空間內(nèi)，高熱耗、高熱流密度電子器件的散熱難度更大[3-4]。

脈動熱管(PHP)又稱振蕩熱管、自激振蕩流熱管、彎曲毛細(xì)管熱管等，由Akachi于20世紀(jì)90年代首次提出[5]，是基于普通熱管且優(yōu)于普通熱管的一種新型獨特的傳熱元件，其運行機理、啟動特性及傳熱強化等方面得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-7]。將脈動熱管平板化的板式脈動熱管(PPHP)，成型工藝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，且便于根據(jù)熱源分布靈活布置流道，提升均溫效果，是優(yōu)良的熱擴展體和安裝載體，特別適用于狹小空間內(nèi)電子器件的溫升控制，在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在實際應(yīng)用中，板式脈動熱管主要作為高效熱導(dǎo)體，實現(xiàn)熱量的快速轉(zhuǎn)移，而后通過與風(fēng)冷、水冷等換熱器的組合，最終將熱量散發(fā)到環(huán)境中。這種以組合-接力形式構(gòu)成的散熱裝置無法有效節(jié)省安裝空間，傳熱路徑長且?guī)砹私佑|熱阻，沒有充分利用脈動熱管“無蒸發(fā)端、冷凝端區(qū)分”的運行特點。

為此，本文根據(jù)某艦載機箱行波管的工作環(huán)境及散熱需求，提出了一種風(fēng)冷板式脈動熱管，將脈動熱管良好的導(dǎo)熱性能與結(jié)構(gòu)緊湊的風(fēng)冷冷板結(jié)合，克服了脈動熱管不便于電子器件安裝及風(fēng)冷冷板遠(yuǎn)離熱源處肋片利用效率低的缺點。并搭建實驗平臺，對風(fēng)冷板式脈動熱管的傳熱性能開展實驗研究，驗證其可行性,分析充液率對其傳熱性能的影響規(guī)律，為風(fēng)冷板式脈動熱管的工程應(yīng)用提供借鑒。

1 脈動熱管原理

圖1為脈動熱管的工作原理示意圖。將蛇形毛細(xì)管抽成真空，充注一定量的相變工質(zhì)(水、丙酮等)，由于管徑足夠小，工質(zhì)會在自身表面張力及管路毛細(xì)力的作用下形成氣液塞并隨機分布在回路中。在加熱區(qū)，管內(nèi)壁上的液膜因受熱而不斷蒸發(fā)沸騰，氣塞產(chǎn)生、增大，壓力升高；在冷卻區(qū)，氣態(tài)工質(zhì)冷凝放熱，氣塞收縮、湮滅，壓力下降；從而使回路在加熱區(qū)、冷卻區(qū)之間形成一定壓差。當(dāng)壓差足夠大時，將推動氣液塞產(chǎn)生強烈的脈動循環(huán)，循環(huán)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通熱管的氣-液循環(huán)頻率，工質(zhì)與管壁間的對流換熱也因受到劇烈脈動的作用而大大強化。

圖1 脈動熱管工作原理示意圖

根據(jù)已有的可視化研究成果，閉環(huán)脈動熱管回路內(nèi)氣液塞運行狀態(tài)可分為局部小幅脈動的非啟動狀態(tài)、短暫脈動循環(huán)和循環(huán)停滯交替運行的狀態(tài)、帶有流向轉(zhuǎn)變及循環(huán)停滯的循環(huán)狀態(tài)、穩(wěn)定單向循環(huán)狀態(tài)，其中，回路內(nèi)循環(huán)流動所占比例越大，脈動熱管傳熱性能越好[7-8]。

與普通熱管不同的是，脈動熱管內(nèi)部不是單純的相變傳熱，而是集蒸發(fā)-冷凝、顯熱傳熱、膨脹做功于一體，涉及多物理學(xué)科、多參數(shù)的氣液兩相流系統(tǒng)[9]。與普通熱管相比，脈動熱管的工質(zhì)循環(huán)動力來自本身，無需吸液芯，體積小，結(jié)構(gòu)形式靈活，傳熱性能好，具有更高的傳熱極限，無蒸發(fā)-冷凝端區(qū)分要求，受重力影響小，適應(yīng)性強。

行波管作為機箱內(nèi)主要發(fā)熱器件，熱耗為300 W，對應(yīng)熱流密度為16 W/cm2。傳統(tǒng)散熱方式，如散熱肋片加強迫風(fēng)冷，已不能很好滿足行波管的散熱要求[10]。本文提出的風(fēng)冷板式脈動熱管，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，可借助脈動熱管良好的導(dǎo)熱性能，將電子器件熱耗在安裝基板內(nèi)快速擴展開，充分提高遠(yuǎn)處肋片的利用效率，減小傳熱路徑的總熱阻，為解決狹小空間內(nèi)高熱耗、高熱流密度電子器件的散熱難題提供了可能。

圖2 風(fēng)冷板式脈動熱管結(jié)構(gòu)示意圖

2 實驗平臺

2.1 實驗平臺搭建

為了研究風(fēng)冷板式脈動熱管的可行性及傳熱性能，搭建了由風(fēng)冷板式脈動熱管、加熱系統(tǒng)、風(fēng)冷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的實驗平臺，如圖3所示。

1—風(fēng)冷板式脈動熱管；2—穩(wěn)壓電源；3—調(diào)壓器；4—功率計；5—數(shù)據(jù)采集儀；6—電腦終端

風(fēng)冷板式脈動熱管由鋁6063焊接加工成型，最大外形為400 mm×350 mm×19.5 mm(長×寬×高)，其中，電子器件安裝基板厚度為4 mm(行波管處基板厚度為4.5 mm)，風(fēng)冷肋片尺寸為15 mm×1.5 mm×3.5 mm(高×厚×間隙)?；鍍?nèi)毛細(xì)管回路的布置根據(jù)電子器件熱耗分布及安裝孔位置設(shè)計，如圖2所示，回路截面為2 mm×1.5 mm(高×寬)，水力直徑為1.71 mm，總?cè)莘e為36.0 mL。

加熱系統(tǒng)包括穩(wěn)壓電源、調(diào)壓器、功率計和加熱片等。根據(jù)機箱發(fā)熱器件散熱要求，選用規(guī)格、尺寸合適的加熱片，通過調(diào)壓器控制加熱片功率以模擬發(fā)熱器件的熱耗及熱流密度。加熱片被緊固在基板正面，并填充導(dǎo)熱脂以減小接觸熱阻，其熱量及分布如圖3所示。實驗時，調(diào)節(jié)加熱片功率分別為300 W、90 W、60 W，對應(yīng)的熱流密度分別為16 W/cm2、4.8 W/cm2、1.8 W/cm2。其中，功率計準(zhǔn)確度為0.5級。

風(fēng)冷系統(tǒng)包括風(fēng)機及風(fēng)道等，實驗時，均勻送風(fēng)，風(fēng)速控制為4 m/s，風(fēng)冷板式脈動熱管肋片朝下、水平放置在風(fēng)道內(nèi)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電腦終端、Keysight 34972A數(shù)據(jù)采集儀及T型熱電偶等，實時采集并記錄各測點溫度值。測點位置分布如圖3所示，測點T1、T2、T3、T4、T5及T6測量熱源安裝表面處的溫度，測點T7測量進(jìn)風(fēng)溫度。其中，熱電偶測量精度為±0.1 ℃。

2.2 實驗內(nèi)容

充液率是決定脈動熱管傳熱性能好壞的關(guān)鍵因素。充液率指充入工質(zhì)的體積占脈動熱管回路總?cè)莘e的百分比，根據(jù)已有的研究[11]，脈動熱管在20%～80%的充液率下能正常工作。

圖4為風(fēng)冷板式脈動熱管樣件，通過充液口、抽真空-充注三通閥及配套管路，對其進(jìn)行抽真空、充注操作并進(jìn)行實驗，研究充液率對風(fēng)冷板式脈動熱管傳熱性能的影響規(guī)律。

圖4 風(fēng)冷板式脈動熱管實物

實驗步驟如下：

(1) 對板式脈動熱管抽真空，當(dāng)真空度≤2 Pa時，切換三通閥，向樣件毛細(xì)管回路注入10.8 mL丙酮，此時回路充液率為30%，關(guān)閉閥門，進(jìn)行實驗并記錄各測點數(shù)據(jù)；

(2) 記錄完成后，通過閥門向回路增添7.2 mL丙酮，充液率為50%，進(jìn)行實驗并記錄各測點數(shù)據(jù)；

(3) 此后，分3次向樣件回路增添3.6 mL丙酮，使充液率依次為60%、70%及80%，分別進(jìn)行實驗并記錄各測點數(shù)據(jù)。

(4) 同時，設(shè)置基板內(nèi)無毛細(xì)管回路的實心風(fēng)冷冷板作為對照，以進(jìn)行對比分析，驗證風(fēng)冷板式脈動熱管的可行性及傳熱效果。

3 實驗結(jié)果

3.1 運行曲線分析

實驗對實心風(fēng)冷冷板和充液率分別為30%、50%、60%、70%及80%時的風(fēng)冷板式脈動熱管，在恒定風(fēng)速和相同加熱功率下的運行情況進(jìn)行了測試，其結(jié)果如圖5所示。

如圖5(a)～(f)所示：

圖5 風(fēng)冷冷板及風(fēng)冷板式脈動熱管運行曲線

(1) 測點T1、T2溫升最快且穩(wěn)定后溫度最高，這是因為對于強迫風(fēng)冷散熱，測點T1、T2處分布有高熱耗、高熱流密度的熱源。由此可知高熱耗、高熱流密度熱源的散熱設(shè)計是溫升控制的關(guān)鍵。

(2) 充液率為30%時，隨著加熱時間的持續(xù)，熱量在加熱區(qū)積聚，此處毛細(xì)管回路內(nèi)氣塞占比增加，加熱區(qū)、冷卻區(qū)之間壓差增大；但因充液率較小，回路內(nèi)氣液塞的運行處于非啟動狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)冷板式脈動熱管傳熱性差。

(3) 充液率為50%時，風(fēng)冷板式脈動熱管出現(xiàn)溫度跳躍啟動現(xiàn)象，回路內(nèi)的氣液塞處于啟動狀態(tài)；但因充液率還未達(dá)到最佳，回路內(nèi)處于循環(huán)狀態(tài)的氣液塞所占比例較小，運行穩(wěn)定后的傳熱性能較差。

(4) 隨著充液率的持續(xù)增大，風(fēng)冷板式脈動熱管啟動過程的溫度平穩(wěn)上升，實現(xiàn)光滑連續(xù)的過渡；回路內(nèi)循環(huán)流動所占比例提高，形成穩(wěn)定單向循環(huán)狀態(tài)，此時板式脈動熱管傳熱性能相比風(fēng)冷冷板具有很大提升。

(5) 風(fēng)冷冷板及板式脈動熱管穩(wěn)定運行后，測點T1～T6的排序從圖5(a)的T1>T2>T3>T6>T5>T4變?yōu)?b)的T1>T2>T3>T5>T6>T4，(c)、(d)、(e)的T1>T2>T5>T3>T6>T4以及(f)的T1>T2>T3>T5>T6>T4。由此可知，隨著充液率的提高，毛細(xì)管回路的氣液塞循環(huán)狀態(tài)運行啟動，板式脈動熱管可以將集中的熱耗高效擴展至基板周邊，從而充分提高整體肋片的利用效率，控制基板最大溫升；而當(dāng)充液率達(dá)到80%時，回路內(nèi)液塞占比過高，增大了氣液塞循環(huán)的阻力，使得風(fēng)冷板式脈動熱管的熱擴展能力及傳熱性能有所降低。

3.2 傳熱性能分析

根據(jù)實驗結(jié)果，對衡量板式脈動熱管傳熱性能優(yōu)劣的重要參數(shù)冷熱端溫差、熱阻及基板表面均溫性指標(biāo)進(jìn)行分析對比。本文中，風(fēng)冷冷板及風(fēng)冷板式脈動熱管的冷熱端溫差、熱阻及均溫性通過以下公式表征：

(1)

R=ΔTmax/Q12

(2)

(3)

根據(jù)圖5的運行曲線，將加熱片通電運行12 min后視為穩(wěn)定運行；Q12為測點T1、T2之間加熱片的熱耗，即300 W。

風(fēng)冷冷板及不同充液率下板式脈動熱管的冷熱端溫差、熱阻及均溫性對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳熱性能參數(shù)對比

由圖6可知：(1)充液率為70%時，板式脈動熱管具有最小的冷熱端溫差、熱阻，分別為44.4 ℃、0.148 ℃/W，相比風(fēng)冷冷板的76.4 ℃、0.255 ℃/W，降低了41.9%；(2)隨著充液率的增大，板式脈動熱管電子器件安裝基板表面均溫性提升，充液率為70%時均溫性為10.6 ℃，相比風(fēng)冷冷板的41.2 ℃，提升了74.3%，效果顯著。

4 結(jié)束語

(1) 風(fēng)冷板式脈動熱管傳熱性能優(yōu)良，相比實心風(fēng)冷冷板，冷熱端溫差及熱阻降低41.9%，均溫性提升74.3%，驗證了風(fēng)冷板式脈動熱管解決高熱耗、高熱流密度散熱難題的可行性，擴展了脈動熱管的應(yīng)用形式。

(2) 充液率對風(fēng)冷板式脈動熱管換熱性能有顯著影響，較低的充液率不利于風(fēng)冷板式脈動熱管工質(zhì)循環(huán)狀態(tài)的啟動運行，從而影響了傳熱效果。

(3) 在本工程實例應(yīng)用條件下，風(fēng)冷板式脈動熱管在充液率60%～80%時，傳熱性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，其最佳充液率為70%。