矩形和圆形槽道脉动热管传热性能的实验研究

陈阳阳，裴圣旺2，陈晓光3，谭建宇

(1.哈尔滨工业大学(威海)新能源学院，山东 威海 264209; 2.北京航天自动控制研究所，北京 100039；3.河北宇天材料科技有限公司，河北 保定 072550)

电子元件在运行过程中对温度十分敏感，电子元件温度在70～80℃水平上每增加1℃，安全可靠性就会下降5%，电子设备失效有55%是因为缺乏有效的温控措施导致的[1]。目前，电路的集成度越来越高，导致电子元件体积越来越小，热流密度不断增大，依靠传统风冷散热的方式不能满足现代电子元件的散热需求。

脉动热管是一种新型热管，它由若干毛细管组成并在管中充灌一定体积的液体工质，利用施加在其上的热能产生管内液塞和气泡的脉动流动进行传热。它与传统热管不同，脉动热管无需消耗外部机械功和电功，结构比较简单，内部弯管形状可以任意弯曲；对其结构和设计参数进行优化后，脉动热管运行性能基本不受重力作用的影响。因此它能在逆重力场、微重力场及重力场变化等复杂环境下运行[2]。

脉动热管的内部运动是一个不稳定的传热传质过程，受工质种类、管道内径、充液率、横截面形状以及弯头数等因素影响，国内外学者对此进行了大量的实验研究。Mahalle等人[3]在工质对脉动热管传热性能影响时发现，丙酮脉动热管传热性能较好，而混合工质和纯工质对热管性能无明显影响。Wang等人[4]选取甲醇、乙醇、丙酮、水和不同两种物质混合物作为工质进行了脉动热管的实验研究，发现加热功率会影响热阻的大小，且对于单一工质的脉动热管，水、乙醇、甲醇和丙酮作为工质时热阻逐渐减小。Li等[5]研究了纳米流体和水脉动热管的性能，发现纳米流体热管更容易形成气泡，热负荷范围较大。而Ji等[6]发现圆柱形纳米流体脉动热管的传热性能最优。有研究表明[7-8]，一般脉动热管的充液率范围在20%～80%，且存在最佳充液率，它取决于脉动热管的工质类型、加热位置、加热功率、结构尺寸及倾角等因素。Charoensawan等[9]发现脉动热管的弯头数存在一个临界值，且与热管内径、工质种类及热功率有关，而Maydanik等[10]发现当脉动热管的水力直径为0.5～3 mm时弯头数应大于10。曹小林等[11]发现在条件都一样的情况下，截面为矩形的脉动热管传热性能要优于正方形。Liu等[12]发现了交替改变通道水力直径的脉动热管传热性能要比普通热管好。

在上述研究成果的基础上，本文以小型高热流密度热源散热为模型，针对横截面为圆形和矩形脉动热管传热性能的实验研究，分析讨论不同截面形状的脉动热管在水平、竖直及变负荷工况下对热管性能的影响。

1 实验设计

本文研究的脉动热管采用6063型铝合金材质，内部工质为丙酮，一般在工程应用中，最佳充液率取管内总体积的50%～55%，本文脉动热管的充液率选50%。根据脉动热管外观形状及尺寸本文选取弯头数为76。为了对比脉动热管不同截面形状对传热性能的影响，本文设计了截面形状为圆形和矩形两种脉动热管，内部结构如图1所示。脉动热管槽道当量直径与Bond数有关，一般情况下，Bond数取2时得到脉动热管的最大水力直径，Bond数取0.7时脉动热管存在最小水力直径，水力直径计算公式[13]如下

(1)

式中σ——表面张力/N·m-1；

g——重力加速度/m·s-2；

ρl——液体密度/kg·m-3；

ρv——气体密度/kg·m-3。

本文设计圆形脉动热管当量直径为2 mm，矩形脉动热管截面尺寸为2 mm×1.8 mm。

在加热系统中，采用尺寸为40 mm×40 mm×2 mm和20 mm×20 mm×1.7 mm的陶瓷加热片作为热源，用导热硅脂把加热片粘合在脉动热管热源位置，分别记为Q1和Q2，测试功率Q1和Q2总和为20 W。在动态数据采集系统中，脉动热管表面的温度采集采用T型热电偶，其精度为±0.1℃。热电偶和热源的布置如图2所示，热电偶1号布置在热源Q1的附近，热电偶2号布置在热源Q2的附近，它们用来记录热源附近的温度，热电偶3和4号布置在脉动热管表面最远处。热源功率由直流电源提供，实验的温度数据由SH-X多路测温仪进行采集，如图3所示。

2 实验结果与分析

2.1 水平放置工况

为了对比矩形和圆形脉动热管的传热性能，将矩形和圆形脉动热管同时水平放在实验桌上，加热功率Q1和Q2总和为20 W，该工况记为标准工况，利用温度巡检仪记录温度数据。脉动热管表面最大温差计算公式如下所示

ΔT=max{T1,T2}-min{T3,T4}

(2)

2.2 变负荷工况

对于实际情况来说，芯片可能会出现低功率负荷和高功率负荷的工作状态，低功率负荷对于脉动热管来说可能会出现未启动的问题，而高功率负荷可能会出现芯片超温的情况。所以在标准工况的基础上，对脉动热管进行标准工况的50%和75%的低负荷温度测试以及标准工况的125%和150%的高负荷测试。

将矩形和圆形脉动热管水平放在实验桌上，加热功率总和分别为10 W，15 W，25 W，30 W，利用温度巡检仪记录温度数据。

从表1的温差数据及图7和图8拟合的表面最大温差曲线可以得到：在不同功率负荷条件下，矩形脉动热管表面最大温差始终小于圆形脉动热管；当负荷从10 W增至30 W时，矩形和圆形脉动热管的表面最大温差逐渐增大；在10 W、15 W和20 W的加热条件下，矩形和圆形脉动热管表面温差在200 s后趋于平缓但仍呈现上升趋势，在高负荷25 W和30 W条件下，矩形脉动热管表面温差在200 s后稳定在固定数值，而圆形脉动热管表面最大温差呈现缓慢上升趋势。当加热功率较低时，脉动热管内部工质在单位时间内吸热较少，工质发生相变的时间较长，导致蒸发区和冷凝区之间的驱动力较小，所以在低功率条件下表面温差不能迅速稳定反而呈现缓慢上升趋势；当加热功率较高时，内部工质在短时间内吸收大量热，相变时间较快，能使脉动热管内部迅速运行起来并维持稳定。

表1稳定后不同功率下的表面最大温差数据

截面形状10 W15 W20 W25 W30 W矩形/℃3.14.15.96.27.1圆形/℃4.66.58.79.711

2.3 竖直放置工况

以标准工况为基准，将脉动热管竖直放置，分析不同摆放位置对脉动热管传热性能的影响。将矩形和圆形脉动热管竖直放在实验桌上，如图9所示，测温点位置与水平工况一致，加热功率总和为20 W。

3 结论

本文测试了丙酮作为工质，截面形状为矩形和圆形脉动热管在自然对流环境水平，竖直及变负荷工况下的传热性能，为脉动热管的设计和选用提供了依据。主要结论如下：

(1)在水平20 W的标准工况条件下，矩形脉动热管的传热性能优于圆形管，工况稳定后矩形管表面最大温差比圆形管低3℃；

(2)变负荷的工况测试中，矩形管的传热性能同样优于圆形管，在高功率区对比效果较为明显。随着功率负荷的增加，两种脉动热管表面温度和表面最大温差逐步增加，脉动热管能快速启动并维持稳定；

(3)竖直工况相比于水平工况，两种脉动热管的传热性能增强，表面最高温度及最大温差均降低，其中圆形脉动热管降低的效果较为明显，最大温差比水平工况降低了2℃。