并联梯形槽道板式脉动热管的启动性能研究

夏侯国伟孔方明谢明付

(1长沙理工大学能源与动力工程学院 长沙 410076;2中国人民解放军92002部队 汕头 515000)

并联梯形槽道板式脉动热管的启动性能研究

夏侯国伟1孔方明2谢明付1

(1长沙理工大学能源与动力工程学院 长沙 410076;2中国人民解放军92002部队 汕头 515000)

为分析板式脉动热管启动性能的影响因素，对一种并联梯形槽道板式脉动热管在空气强制对流冷却情况下进行了实验研究。结果表明，热管在低加热功率下的启动行为呈现冷热端温度平稳上升和跳跃两种，其中跳跃行为又分为跳跃后冷热端温度继续上升与逐渐下降两种；而热管在高加热功率下的启动行为主要为温度跳跃；同时实验还发现热管的完全启动温度随充液率及倾角的增加而增加，与加热功率无关；加热功率影响启动速度，功率越高热管启动速度越快。

板式脉动热管；并联梯形槽道；启动性能；充液率；加热功率

Akachi于20世纪90年代提出脉动热管[1]，其结构简单、传热性能好、适应性强、没有传统毛细极限[2]，在航空航天及电子设备冷却领域具有良好的应用前景[3]，吸引国内外学者对其进行了大量研究，研究重点集中在分析稳定运行时传热性能的影响因素，获得了许多有益结论。脉动热管的工作包含启动和稳定运行两过程，不可分割。启动温度高低同样关系到电子设备安全及性能，如启动温度过高，会超出设备允许的温度范围，从而影响设备的性能，热管也就失去意义。然而，目前针对脉动热管启动的研究开展的较少，从所查阅的资料看，Khapdekar S等[4]、Xu JL等[5]、徐荣吉等[6]、刘向东等[7]、王讯等[8]曾对蛇形圆管式回路脉动热管的启动进行了实验研究；权力等[9]对矩形截面蛇形回路槽道平板脉动热管启动性能进行了实验研究，且该槽道布局本质上与蛇形圆管式回路脉动热管相类似；史维秀等[10]对并联正方形板式脉动热管主要进行了启动性能研究，但其内容没有涉及启动过程的主要现象——温度突变现象。总体来看，目前脉动热管启动性能的研究还很不充分，启动过程及其机理至今尚未了解透彻。相关研究表明，脉动热管的槽道截面形状与槽道联通情况对其性能影响很大[11－15]，不同的结构甚至可能出现不同的结论。为更好地探索启动机理，有必要加强对不同结构板式脉动热管启动的研究，以分析总结其规律。本文提出了一种非回路的并联槽道板式脉动热管，其槽道截面为尖锐梯形，通过实验研究分析其在空气强制对流条件下的启动过程及相关影响因素的作用。

1 实验对象及实验方法

本文的并联梯形截面槽道板式脉动热管是一种新颖结构的热管，具有结构简单、耗材少、易加工等特点，平面受热端适合电子器件的散热，甚至可直接将受热面与集成电路板整合为一体。蒸发端和冷凝端由数条具有尖锐梯形槽道并联连接，尖锐角度可增大回流毛细力，外部波浪结构既可增大散热面积又可强化扰动散热。长宽高尺寸为210 mm×41.8 mm× 2.88 mm，梯形槽当量直径1.664 mm。热管冷热端长度分别为126 mm和84 mm，壳体采用0.4 mm不锈钢薄板。板式脉动热管结构如图1和图2所示。

图1 板式脉动热管截面图(单位:mm)Fig·1 Section of plate pulsating heat pipe(unit:mm)

图2 板式脉动热管实物图Fig·2 Actual object of Plate pulsating heat pipe

脉动热管启动性能实验装置如图3所示，包括加热、冷却及数据采集三部分。加热部分由缠绕电阻丝的加热块、可调变压器、功率表组成；冷却部分采用CPU散热风扇，可实现空气强制对流散热；数据采集部分采用Keithley2700数字多用表，通过数根K型热电偶对热管壁温进行实时采集，热电偶测量精度为± 0.4%，Keithley2700数字多用表具有六位半精度。

图3 实验装置示意图Fig·3 SchematiCdiagramof experimental appara tus

图4为温度测点布置图。热管每隔20 mm布置1个测点，另外加热块布置1个测点，共10个测点。为减少实验热损失，蒸发段及加热块用石棉包裹。热管工质为丙酮。实验步骤:1)利用真空泵将热管的真空度抽到9.5×10－5Pa，并保持每次所抽的真空值不变；2)对热管进行灌液；3)在各充液率下，调节不同倾角，在每个倾角度下进行不同加热功率的启动性能实验；4)每组工况进行5次重复实验。

图4 测点分布图Fig·4 Distribution ofmeasuring points

2 实验结果及分析

对实验数据进行筛选处理，为减小随机误差，选取每组实验工况下较典型的曲线作为研究对象，根据这些曲线，从以下两方面对热管的启动过程及启动影响因素进行分析与讨论。

2·1 几种典型的热管启动过程

2·1·1 低功率下热管启动过程

图5为加热功率15 W时，热管启动过程温度曲线图。热管在此功率下的启动行为大致分为两大类:一类是热端、冷端温度平稳上升；另一类是热端、冷端温度发生跳跃，其中又分为跳跃后温度继续上升和跳跃后温度逐渐下降两种情况。由图5(a)、(b)、(c)可知，热管启动是否存在跳跃，主要与热管充液率有关。当充液率低时，管内汽液塞数量少，因此，低加热功率下，热端工质在低饱和参数时产生的蒸气能克服阻力推动液塞向冷端移动，将热端吸收的热量及时传递到冷端，所以冷热端的温度表现为平稳上升；当充液率高时，管内形成的气液塞数量多，热端工质产生的蒸气只有积累到某一更高饱和参数才能克服阻力推动气液塞向冷端移动，此时输送到冷端的热量比低饱和参数时要大很多，因此冷热端温度都出现明显的跳跃变化。从图5(c)和(d)可知，冷热端温度跳跃后是继续上升还是逐渐下降，与热管初始安装角度即倾角有关。热管倾角越大，重力产生的阻力越大，热端蒸气需要积累到的饱和参数也越高，甚至超过其稳定工作时的饱和参数，此时温度跳跃后热端吸热量低于回流蒸发吸热量，故温度跳跃后逐渐下降；当倾角为0°时，无重力产生的阻力，蒸气需要积累到的饱和参数低于稳定工作时的参数，温度跳跃后热端吸热量高于冷端回流蒸发吸热量，故温度跳跃后继续上升。

2·1·2 高功率下热管启动过程

图5 低加热功率15W时热管的启动过程Fig·5 Heat pipe start-uPprocess of 15W low heating power

图6 高加热功率40W时热管的启动过程Fig·6 Heat pipe start-uPprocess of 40W high heating power

图6为加热功率40 W时，热管启动过程的温度曲线图。热管在此加热功率下的启动行为是:热管完全启动瞬间都出现热端温度跳跃下降、冷端温度跳跃上升，并在跳跃后冷热两端温度继续上升的现象。这是因为热管在高功率下启动时，无论工质多还是少，热端吸热量都大于传递到冷端的热量，因此热端工质不断积蓄热量，直至蒸气的饱和参数积累到能推动大量液塞向冷端移动，此时冷热端的温度都会发生跳跃，此后热管便完全启动。分析图6(a)、(b)、(c)，不同充液率的情况下，热管在45°倾角、40 W高功率下都呈现跳跃式启动，而充液率只对冷端温度跳跃的幅度有一定影响，20%、30%、50%的温度跳跃幅度分别为9.2℃、13.5℃和32.3℃。这是因为充液率越大，热管启动所积蓄的热量越大，跳跃越明显。比较图6(c)和(d)可知，50%高充液率、40 W高加热功率下，倾角对热管跳跃式启动行为影响非常小，原因是此时热端启动所需饱和压力比倾角引起的重力性阻力大很多，因此倾角影响不大。

2·2 影响热管启动过程的因素

由于脉动热管启动过程复杂，且处于研究起步阶段，所以目前为止对脉动热管的启动尚无严格统一的定义。大部分情况下，脉动热管完全启动时冷、热端温度会发生明显的突变，故目前普遍以冷、热端温度发生突变为启动标志，且把热端突变前的温度定义为启动温度。应指出的是，在低加热功率下也有冷、热端温度无突变，而热管已启动的现象存在，此时热管启动温度如何确定有待进一步商榷。本文启动温度的确定，仍沿用目前通用方法确定，并在此基础上研究并联槽道板式脉动热管的启动过程及其影响因素。

2·2·1 倾角对热管启动过程的影响

图7和图8分别为充液率50%时，不同倾角下的热管启动过程温度曲线图。其中图7倾角为30°、图8为90°，热管的完全启动温度分别为53℃、63℃。由此可知，充液率一定时热管在某一倾角下对应一定的完全启动温度，倾角越大温度就越高。这是因为倾角越大，重力产生的阻力也更大，因此热端蒸气需要达到的饱和参数也越高，热管的完全启动温度也越高。

2·2·2 加热功率对热管启动过程的影响

由图7和图8可知，加热功率为15 W和40 W时，热管的完全启动温度均为53℃与63℃，加热功率对热管完全启动温度的高低基本没有影响，但从图中可以看出加热功率影响热管启动的快慢，加热功率越高，热管启动越迅速。原因是脉动热管的启动条件为热端饱和压力大于等于冷端运动阻力，当充液率、倾角及环境温度不变时，冷端气液分布及毛细作用力、重力轴向分力也不变，启动需要克服的阻力随之确定。热管中热流密度随加热功率增大而增大，其达到启动所需饱和压力耗时变短，故启动速度加快。

图7 充液率50%、倾角30°时热管的启动过程Fig·7 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when liquid filling ratio is 50%,inclination angle is 30°

2·2·3 充液率对热管启动过程的影响

图9为功率30W、倾角45°时热管在不同充液率的启动过程温度曲线图。其中，图9(a)为20%充液率，图9(b)为30%充液率，热管的完全启动温度分别为53℃、58℃。由此可知，倾角一定时，充液率越高，热管的完全启动温度也越高。这是因为倾角相同时，热管充液率越高，热端液态工质也越多，管内分布的气液塞也越多，热端工质需要达到的饱和参数也越高，热管的完全启动温度也就越高。

3 结论

本文对一种并联梯形截面槽道平板脉动热管的启动过程进行了实验研究，对实验结果分析后表明:

1)低加热功率和高加热功率下的启动过程不同，表现在冷热端的温度变化分为平稳上升和跳跃两种，其中跳跃又分为跳跃后温度继续上升或者逐渐下降两种情况。

图8 充液率50%、倾角90°时热管的启动过程Fig·8 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when liquid filling ratio is 50%,inclination angle is 90°

图9 功率30W、倾角45°时热管的启动过程Fig·9 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when heating power is 30W,inclination angle is 45°

2)低加热功率时，充液率低，启动过程中冷热端温度平稳上升；充液率高，温度发生跳跃。其中倾斜角度为0°，跳跃后温度继续上升，倾斜角度大于0°则会逐渐下降。

3)高加热功率时，冷热端温度都表现为跳跃后继续上升；充液率只对跳跃幅度有影响，充液率越高，跳跃的幅度越大；而倾斜角度对启动行为影响较小。

4)热管完全启动温度随充液率或角度增大而增大，与加热功率变化无关。

5)加热功率只影响热管的启动速度，功率越大启动速度越快。

本文受湖南省自然科学基金项目(12JJ2031)和长沙市能源局([2008]27-8)项目资助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (No. 12JJ2031)and Changsha Energy Administration(No.[2008]27-8).)

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About the corresponding author

Xiahou Guowei，male，associate professor，College of Energy and DynamiCEngineering，Changsha University of Science and Technology，＋86 13548617113，E-mail:xh_gw＠126.com.Research fields:efficient heat transfer enhancement.

Study on the Start-uP Performance of Plate Pulsating Heat Pipe with Parallel Trapezoidal Channel

Xiahou Guowei1Kong Fangming2Xie Mingfu1

(1.College of Energy and DynamiCEngineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410076，China；2.No.92002 Unit，People’s Liberation Army，Shantou，515000，China)

In order to analyze the factors which affect the start-uPperformance of plate pulsating heat pipe，a plate pulsating heat pipe with parallel trapezoidal channelwas experimentally investigated in the forced air convection cooling conditions.Results indicate that heat pipe start-uPbehavior at low heating power are temperature rise steadily and jump，and the jumPcase is divided into two categories:the temperature of evaporator and condensation rise steadily and gradually declined；while heat pipe start-uPbehavior at high heating power is mainly temperature jump.In addition，the full start-uPtemperature of heat pipe riseswith the increased liquid filling ratio and inclination angle，it has nothing to dowith the heating power.Specially，heating power influences the start-uPspeed.The higher heating power leads to the faster heat pipe start-up.

plate pulsating heat pipe；parallel trapezoidal channel；start-uPperformance；liquid filling ratio；heating power

TB61＋1；TB657.5

A

0253－4339(2015)02－0089－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.089

简介

夏侯国伟，男，副教授，长沙理工大学能源与动力工程学院，13548617113，E-mail:xh_gw＠126.com。研究方向:高效强化传热研究。

2014年7月2日