振荡热管传热性能及单向阀结构的研究

王德健 宋 淳 朱思宇

沈阳化工大学能源与动力工程学院 辽宁沈阳 110142

电脑CPU是一块大规模集成电路，热功耗量数瓦到数百瓦不等。随着电脑运行速度的提升，CPU的功率越来越大，这样在较小面积上就会聚集大量热量。随着电子器件功率的进一步增大，单纯地沿用传统的依靠单相流体的对流换热和强制风冷等方法的散热已不能满足需要。因此，必须研究和开发新的散热手段，以适应高功率、高热流密度的散热需求[1]。理论和实际应用情况都表明，电子器件的故障发生率随温度的上升而呈指数关系增长[2]，如果没有主动散热，则CPU的温度会在短时间内快速上升，而CPU一般只能稳定工作在70-80度左右。因此CPU必须主动散热才能稳定工作，否则就会因为高温而使主板烧毁。研究发现，电子元器件的工作温度每升高10℃，其寿命将会降低一半左右[3、4]。

振荡热管是一种结构简单，传热性能优良的换热元件，如图1所示，在小型电子器件散热领域，特别是高热流密度元器件上得到了比较广泛的应用[5]。本项目设计振荡热管的改进型回路结构，制作改进型回路振荡热管试件，对其进行传热性能的研究，分析工质、充液率、倾斜角度、加热功率、冷却水流量和通道截面尺寸对振荡热管启动和传热的影响。

当脉动热管单侧加热时，由于两边的热流密度不对称，因此考虑单向阀流向的影响，在脉动热管自身不能稳定单向运行的工况下，单向阀会促使管内工质形成稳定的单向循环流动，单向阀会改变管内工质的运行状态，促使工质单向循环流动[6]。

图1 闭式回路型脉动热管原理图

一、模型建立

实验所用振荡热管总长度为112mm，宽度为180mm，蒸发段长度为50mm，绝热段长度45mm，冷凝段长度85mm，弯头处内径10mm的热管模型。

本实验的边界条件如下：加热功率110W，热流密度为52784.12瓦每平方米，热管内部的充液率达到60%。

图2 （a）网格图

图2 （b）局部图

二、单向阀的结构改进

脉动热管内部的工质总是处于不稳定运行的状态且随时可能出现停顿、反转和振荡的现象，导致其传热性能下降。针对管内工质不稳定运行的问题，单向阀可以促使管内的工质形成稳定的单向循环流动[6]。单向阀的种类很多，主要包括弹簧式、重力式、旋启式和隔膜式，振荡热管的闭环路结构和单向阀结构图如图6所示。

在选择与脉动热管集成的单向阀时需要考虑很多因素，其中最为重要的是气密性、抗压性、抗蚀性、易集成性等。因为闭环脉动热管在灌注工质之前其内部处于真空状态，所以单向阀对气密性要求很高。如果单向阀存在漏气的问题，脉动热管的性能将大幅下降甚至失效。此外，脉动热管在运行过程中其内部的工质受热蒸发产生巨大的压力，因此单向阀要具有一定的抗压要求，其抗压要求可依据脉动热管的工作温度以及其管内工质在该温度下的饱和蒸汽压力进行设计[6]。

人体大动脉的起始部位比如主动脉、肺动脉的根部都有动脉瓣的。瓣膜的功能是防止血液从动脉到心室的反流，瓣膜的打开和关闭是一个相对被动的过程，瓣膜需要相对快速的开关，而且每次关闭时，需要完全封闭。人的一生中心脏瓣膜需要承载数十亿次高强度的往复载荷，心脏进行非常有规律的收缩、舒张运动，瓣膜作为一个单向导流阀，起到了推动血液系统不断循环的作用[7]。在心室舒张时二尖瓣打开，允许左心房血液流入到左心室，在收缩期瓣膜闭合，防止血液在反向压差的作用下反流回左心房[8]。

图3 动脉瓣结构图

图4 单叶及双叶

双叶瓣是两枚半圆形瓣膜由折叶支持而开闭的，比倾斜圆板型瓣膜进一步增加了开口面积。双叶瓣的血流为平流，有效开口面积相对更大些，单叶瓣为偏心血流，另外双叶瓣的杂音普遍比单叶瓣要小[9]。

在此结构上我们利用仿生学原理制造了符合热管防回流结构的单向阀，将叶片轴两端加入了还原装置，如图5。其原理是把叶片绕其转动的点当做支点，手对夹子的作用力是动力F1，从支点向动力的作用线作垂线段，即可作出动力的力臂L1，继而在没有水流的状态下使双叶瓣回到原位，如图6所示。

图5 单向阀结构

图6 还原装置原理图

本文对振荡热管的两相流动传热特性进行了数值模拟，数值模拟气液两相在振荡热管中的运动过程，着重关注振荡热管，得到的结果有：

（一）启动的初始阶段，随着加热时间的增加，热管底部气柱逐渐膨胀，并带动两相流产生运动。

（二）启动的初始阶段，随着加热时间的增加，底部压强增大，两相流产生运动后，压强逐渐降低。

（三）根据仿生学所制造的双叶单向阀，声音较小，且可自动闭合，可有效避免回流现象。