水和丙酮工质的金属纤维毡蒸气腔热管的传热性能

徐鹏程，陶汉中，张红

（1 南京工业大学能源学院，江苏 南京 211816；2 南京科远自动化集团股份有限公司，江苏 南京 211102）

引 言

近几年随着电子技术的迅速发展，电子元器件朝着高频，高速及微小化方向发展，从而使得电子元器件单位面积上的发热量迅速增大。因此电子技术的发展需要良好的散热手段来保证，而一般情况下电子元器件的发热面积与散热器基板的面积相差太大，这导致了传热过程中产生很大的扩散热阻[1]。为了减少扩散热阻，提高电子元器件的寿命，蒸气腔热管的概念近几年被提出，其工作原理是利用工质的相变传热，由蒸发端吸热将腔体内部工质蒸发，并利用微小的压力差使蒸气流至冷凝端与外部进行热交换，释放完热量后的蒸气冷凝成液态，经由蒸气腔内部壁面的毛细力作用而回流至蒸发段，如此持续循环，从而达到传递热量的目的[2]。由于此循环进行得比较快，因此热量能够较快地传输，避免了局部高热问题的产生。

蒸气腔热管的发展为电子元件提供了更佳的散热保护，不少学者已开始投入到蒸气腔的研究中。蒸气腔热管的研究方式包括实验和数值模拟，主要研究吸液芯材料与结构、蒸气腔厚度、工质种类、充液率及工作角度对蒸气腔热管传热影响。蒸气腔热管的理论研究文献较少。Koito 等[3-4]对蒸气腔热管内部传热特性进行了理论研究。

吸液芯结构的选择通常对蒸气腔热管的传热极限有很大的影响，其结构通常有金属丝网、烧结金属粉末、沟槽及金属纤维毡等。Lin 等[5]通过实验研究了工质为水的蒸气腔热管的蒸发段、绝热段以及冷凝段的温度分布，其吸液芯为铜丝网。Prasher[6]为了预测热管的特性，通过建立物理模型来预测烧结金属粉末吸液芯热管与蒸气腔热管的传热现象。Chen 等[7]以数值分析及实验方式探讨矩形金属板及吸液芯为烧结铜粉的蒸气腔热管的扩散热阻，研究结果显示金属板的热阻与加热量无关，蒸气腔热管表面温度分布不受加热面积及加热量的影响，温度上升较小且较均匀，因此蒸气腔热管为较佳的热扩散器。

蒸气腔内工作液体的选用也是一个非常重要的关键点，常用的工质有水、乙醇及丙酮等。岂兴明等[8]通过实验研究工质为丙酮、乙醇和水，充液率在20%～90%之间的小型平板热管的传热性能，得出该平板热管以乙醇为工质的传热性能最好，并给出平均传热系数的综合关联式。Boukhanouf 等[9]利用红外线热影像测量工质为水的蒸气腔体的传热性能，所得实验数据与相似尺寸的铜块实验结果比较，发现蒸气腔体的表面温度梯度及扩散热阻均比铜块与有缺的蒸气腔体的低。Ogushi 等[10]分析了使用乙醇作为工质的蒸气腔热管，研究表明在蒸气腔热管与铝平板质量相同时，蒸气腔热管的传热速率是铝平板的两倍。Xuan 等[11]通过改变加热功率、蒸气腔体工作角度以及工质的充液量，探讨工质为水与丙酮的蒸气腔的传热现象，并利用理论公式推导蒸气腔体的暂态与稳态现象。Hsieh 等[12-13]以数值模拟及实验测量方式，探讨蒸气腔热管的热传特性，研究中发现内部无铜柱的蒸气腔体有较小的扩散热阻，且表示蒸气腔体具有很好的传热性能，可作为改善传统散热片的替代品。

对比前人的研究方法与研究内容，本文重点针对吸液芯为金属纤维毡的蒸气腔热管，通过实验测试了工质分别为水和丙酮的蒸气腔热管的工作性能，探讨分析金属纤维毡蒸气腔热管的启动性能与均温性。

1 实验装置

图1 蒸气腔热管几何结构图及吸液芯实物图Fig.1 Composition of vapor chamber heat pipe and its microstructure

图2 蒸气腔热管实验系统结构Fig.2 Test system of vapor chamber heat pipe

表1 蒸气腔热管特性参数Table 1 Vapor chamber heat pipe parameters

实验中所使用的两种蒸气腔热管的外形尺寸均为100 mm×100 mm×17 mm，其结构如图1所示，壳体材料为紫铜。为了提高蒸气腔热管的传热性能，在蒸气腔体的顶部与底部均布置2 mm 厚的 吸液芯，吸液芯为比利时贝卡尔特公司提供的金属纤维毡（Bekipor WB 08/300），利用20 目（850 μm）的不锈钢丝网将吸液芯固定在壁面上，其孔隙率为0.97[14]。在蒸气腔腔体中分别充入工质水和丙酮，两种工质的充液率均为10 ml，真空度为10-4Pa，表1列出了蒸气腔热管的详细参数。

为了模拟电子元器件芯片产生的热量，实验中使用电加热管与铜块来模拟热源，同时利用调节变压器来改变电加热管的功率。电加热管产生的热量经铜块传递到顶部，顶部为边长30 mm 的正方形，安装在蒸气腔热管蒸发端的中心位置。为了减小铜块与蒸气腔热管的接触热阻，在它们之间涂有导热硅脂并施加一定的压力。

为了测试蒸气腔热管的传热性能，将测试件安装在矩形风道测试台中。图2为蒸气腔热管的测试系统结构图，整个系统采用模块化设计，主要包括亚克力板风道，蒸气腔热管，电加热管，调节变压器，风扇，GPC-6030D 直流电源，热线风速仪，Agilent 34970A 数据采集仪，DP1000-ⅢB 型数字微压计，T 型热电偶线，电压表，电流表以及保温棉等。矩形风道的尺寸为120 mm×110 mm×1900 mm，其中进口段L1=1000 mm，测试段L2=300 mm，尾部L3=600mm。利用风扇将空气引入风道中，横掠蒸气腔热管的冷凝端。风道中的风速通过热线风速仪测量。整个系统中温度的测量采用的是T 型热电偶，并通过数据采集仪记录收集。考虑到蒸气腔热管传热的对称性，在测试件的上下表面均布置T 型热电偶，热电偶的分布如图3所示，其中测试点1监控的是铜加热块的温度。风道进出口风温的测试点布置在距离测试件前后各300 mm 处。所有的热电偶都连接到数据采集仪中，通过计算机进行实时监控。为了减少环境因素的影响及散热损失，在测试段风道及电加热管周围包裹保温棉。实验中，观察热电偶温度的变化，温度在5 min 内波动不超过正负 0.5℃时，即认为蒸气腔热管达到稳定工作温度。

图3 热电偶测量点Fig.3 Thermocouples distribution on vapor chamber heat pipe

实验中加热功率可由式(1)计算

式中，U为电压（V），I为电流（A），由电压表、电流表显示面板中读出。

当实验测试稳定时，风道中由空气带走的热量为

式中，m为空气质量流量，cp为空气的比定压热容，Tout为出口空气平均温度，Tin为进口空气平均温度。经计算加热功率与冷侧空气带走的热量基本平衡，热损失比率在4.1%以下。

蒸气腔热管的蒸发端的平均温度为

蒸气腔热管的冷凝端的平均温度为

实验中可能产生的误差主要来源于测量所用的仪器的误差，如热电偶、压力计、电流表及电压表等。实验中测量温度的热电偶与测量速度的仪器的准确度均为±1%。实验测量的不准确度可表示为[15]

由上述方法即可求出实验测的热阻值与真值之间的可能误差范围，而利用相同的方式也可以求得研究中的加热量与Reynolds 数等不同实验值的不准确度。本研究中各实验条件下加热量的不确定度最大值为3.27%，Reynolds 数的不准确度最大值为0.5%。经由不准确度的计算，显示本研究的实验结果具有一定程度的准确性。

2 实验结果和分析讨论

为了探讨蒸气腔热管的传热特性，分别在不同加热功率（60.2、102.3、144.9、187.6、230 W）和不同冷却风速（2、3、4、5 m·s-1）下，测得以水和丙酮为工质的蒸气腔热管性能实验数据。

2.1 启动特性研究

图4为冷却风速为2 m·s-1，加热功率为187.6 W 下，两种工质的蒸气腔热管启动时蒸发端和冷凝端的温度随时间的变化曲线。由图可以看出，两种不同工质的蒸气腔热管到达稳定工作温度的时间都在3000 s 左右，启动时间基本相同。但是水工质的蒸气腔热管的升温速度较丙酮工质的快，稳定工作后的温度也比丙酮工质热管的表面温度要高，最大相差19.11℃，同时可以看出工质为水的蒸气腔热 管上下表面的温差比丙酮热管的小2.67℃。这是因为水的传输因数高于丙酮，所以传热效果较好。

图4 蒸气腔热管的启动曲线Fig.4 Vapor chamber heat pipe startup

图5 变功率下蒸气腔热管的启动特性Fig.5 Startup performance of vapor chamber heat pipe by different heating power

为了模拟电子设备工作时变耗散功率下蒸气腔热管的启动特性，实验中给定蒸气腔热管的变加热功率，通过分析蒸气腔热管壁面的升温曲线，研究变功率对蒸气腔热管的启动性能的影响。

实验在进口风速为2 m·s-1时测试了加热功率为40、60.2、81、102、123、159 W 6 档功率下的蒸气腔热管的启动特性。实验设定的加热功率每隔45 min 变化一次，结果如图5所示。从图中可以看出，蒸气腔热管冷热端温度曲线始终处于上升阶段，但与固定加热功率不同的是其冷热端温升速度不一样。固定加热功率的冷热端温升在低功率下较缓而在高功率加热下温升趋势较陡，但是在变加热功率下冷热端温度的变化在每一阶段其温升趋势基本一样，没有出现剧烈的波动。这说明在变功率的热载荷下，蒸气腔热管能够很好地传递热量，不会出现较大的温度波动或者过高的局部温度。

2.2 均温特性研究

图6为同样测试条件下蒸气腔热管表面布点的温度分布。测试点1～6 为蒸气腔热管蒸发端的温度分布，测试点7～12 为蒸气腔热管冷凝端的温度分布。从图中可以看出两种工质的蒸气腔热管冷凝端的温度分布都比较均匀，且蒸发端和冷凝端的温差较小。这充分体现了金属纤维毡蒸气腔热管具有良好的均温性，能够很好地解决电子器件局部热点的问题。

图7为加热功率187.6 W 时，不同冷却风速下两种工质的蒸气腔热管的蒸发端和冷凝端平均温度的变化情况。可以看出，随着冷却风速的增大，蒸气腔热管的蒸发端和冷凝端温度均下降。蒸气腔热管冷热端的温差随风速的增大只有较小的降低，但是冷却风速在3 m·s-1以上时，工质水的蒸气腔热管冷热端温差只有2.4℃左右。水工质热管的两 端的温差最大为8.13℃，丙酮热管两端的温差最大为10.08℃。可以看出外部环境对工质为水的蒸气腔热管冷热端温差有一定的影响，但对丙酮工质而言影响较小。

图6 蒸气腔热管的表面温度分布Fig.6 Surface temperature distribution of vapor chamber heat pipe

图7 不同风速下蒸气腔热管的蒸发端和冷凝端温度曲线Fig.7 Temperature curves of vapor chamber heat pipe evaporation and condensation under different wind speeds

图8为冷却风速2 m·s-1时，两种工质蒸气腔热管在不同加热功率下表面温度的变化情况。从图中可以看出随着加热功率的增大，蒸气腔热管的表面温度均呈上升趋势。工质为水时蒸气腔热管上下表面温差较小，最大达到9.28℃，最小为1.35℃。工质为丙酮时上下表面的温差较大，最大为12.53℃，最小为3.17℃。但工质为水时蒸气腔热管整体温度要比工质为丙酮时高。

图8 不同热通量下两种热管的蒸发端和冷凝端温度Fig.8 Temperature curves of vapor chamber heat pipe evaporation and condensation under different heating fluxes

为了能够更直接观察到蒸气腔热管冷凝端的温度分布，实验中利用红外热像仪Mikroscan 7515对蒸气腔热管达到稳定工作状态时进行拍摄。图9与图10为风道风速2 m·s-1时3 种不同热通量下的丙酮与水蒸气腔热管冷端温度分布图，由图中可以看出，两种工质的蒸气腔热管的冷凝端温度分布都比较均匀，且随着加热功率的增加，蒸气腔热管冷凝端表面温度上升。同时，水工质的蒸气腔热管的平均温度高于丙酮蒸气腔热管的平均温度。金属纤维毡蒸气腔热管的优良均温性为解决电子设备中局部热点提供了有效的方法。

最后定量分析了两种工质的蒸气腔热管均温性能，利用红外热像仪采集到的蒸气腔热管冷凝端表面的温度数据，对各个加热功率下数据进行方差分析。表2为3 种不同功率下蒸气腔热管冷凝端温度分布的方差值。由表中可以看出，加热功率为60.2 W 时求得的方差值最小，当加热功率为144.9 W 时 方差值最大。方差值越小说明蒸气腔热管表面的温度分布越均匀。对比表中的数值可以看出，丙酮蒸气腔热管冷凝端的均温性优于水蒸气腔热管。

图9 丙酮工质蒸气腔冷凝端红外温度分布Fig.9 Surface temperature distribution of condenser in vapor chamber heat pipe with acetone

表2 蒸气腔热管冷凝端表面温度方差值Table 2 Variance of vapor chamber heat pipe condenser surface temperature

3 结 论

图10 水工质蒸气腔热管冷凝端红外温度分布Fig.10 Surface temperature distribution of condenser in vapor chamber heat pipe with water

本文搭建了针对电子设备散热用的金属纤维毡蒸气腔热管的性能测试装置，并对其进行了实验研究，主要针对不同功率、不同风速下蒸气腔热管的启动性能、均温性能进行研究。主要结论如下：

（1）不同热通量下，两种不同工质的金属纤维毡蒸气腔热管均能从环境温度平稳启动，启动时间约为3000 s；

（2）金属纤维毡蒸气腔热管的等温性能较好，水工质蒸气腔热管冷热端温差小且最小温差为 1.35℃，因此金属纤维毡蒸气腔热管能够很好地解决电子器件局部热点的问题；

（3）通过红外热像仪拍摄的蒸气腔热管冷凝端表面温度分布可以看出，实验中丙酮蒸气腔热管的均温特性优于工质为水的蒸气腔热管。

[1]Sauciua I,Chrysler G,Mahajon R.Spreading in the heat sink base:phase change systems or solid metals [J].IEEE Trans.Compon.Pack.Technol.,2002 (25):621-628

[2]Dunn P D,Reay D A.Heat Pipes [M].4th ed.New York:Pergamon Press Ltd.,1994

[3]Koito Y,Imura H,Mochizuki M,et al.Theoretical study on heat transfer characteristics of a vapor chamber [J].Thermal Science and Engineering,2005,13 (1):23-30

[4]Koito Y,Imura H,Mochizuki M,et al.Fundamental investigations on heat transfer characteristics of heat sinks with a vapor chamber//Proc.7th Int.Heat Pipe Symposium [C].2003:247-251

[5]Lin C Y,Leong K C,Wong Y W,Tan F L.Performance study of flat plate heat pipe//Proceedings of the International Conference on Energy and Environment [C].Shanghai,1995:512-518

[6]Prasher R S.A simplified conduction based modeling scheme for design sensitivity study of thermal solution utilizing heat pipe and vapor chamber technology [J].Journal of Electronic Packaging,2003,125 (3):378-385

[7]Chen Y S,Chien K H,Wang C C,et al.Investigations of the thermal spreading effects of rectangular conduction plates and vapor chamber [J].Journal of Electronic Packaging,2007,129 (3):348-355

[8]Qi Xingming (岂兴明),Su Junlin (苏俊林) Jiao Jinyi (矫津毅).Heat transfer characteristics of miniflat heat pipe [J].Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition(吉林大学学报:工学版),2006,36 (5):669-672 [9]Boukhanouf R,Haddad A,North M T,Buffone C.Experimental investigation of a flat plate heat pipe performance using IR thermal imaging camera [J].Applied Thermal Engineering,2006,26 (17/18):2148-2156

[10]Ogushi T,Murakami M,Masumoto H,et al.Study on newly developed flat plate type heat pipe heat sink [J].ASME HTD,1988,96:517-521

[11]Xuan Y,Hong Y,Li Q.Investigation on transient behaviors of flat plate heat pipes [J].Experimental Thermal and Fluid Science,2003,28 (2):249-255

[12]Hsieh S S,Lee R Y,Shyu J,et al.Analytical solution of thermal resistance of vapor chamber heat sink with and without pillar [J].Energy Conversion and Management,2007,48 (10):2708-2717

[13]Hsieh S S,Lee R Y,Shyu J,et al.Thermal performance of flat vapor chamber heat spreader [J].Energy Conversion and Management,2008,49 (6):1774-1784

[14]Bai Tong (白穜),Zhang Hong (张红),Xu Hui (许辉),Ding Li (丁莉).Performance study on a novel combined wick of heat pipe [J].Proceedings of CSEE(中国电机工程学报),2011,31 (23):79-85

[15]Moffat R J.Using uncertainty analysis in the planning of an experiment [J].Journal of Fluids Engineering,1985,107 (2):173-179