单面波浪平板脉动热管的传热性能

夏侯国伟 孔方明,2 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)

脉动热管是一种新型高效热管，最早由日本人Akachi于20世纪90年代提出[1]，具有结构简单、传热性能好、适应性强等优点[2]，目前是国内外学者研究的热点。由于脉动热管的运行机理尚不清晰，所以当前大多通过实验的方法进行研究，主要分析管径[3-5]、充液率[5-9]、倾角[10-11]、工质[12-13]等对其传热性能的影响。传统的脉动热管为圆管式，是由一根金属毛细管弯曲成蛇形结构。平板脉动热管由于其热端是平面，因此可以直接或加工成散热器应用于电子元件的散热[14-17]。相关文献研究表明，与管式脉动热管相比，平板脉动热管有其自身的运行特点。Khandekar等[18]研究发现，矩形通道脉动热管的运行性能好于圆形槽道或圆管；周岩等[19]研究发现正三角形截面脉动热管的热阻值低于正方形截面脉动热管，管径较大的脉动热管的热阻值低于小管径热阻值；杨洪海等[20]研究发现，方槽板式脉动热管存在尖角的毛细吸附力以及相邻槽道通过薄壁的横向热平衡，这些结构因素影响脉动热管的运行特性。结合前期研究成果，设计一种具有梯形截面的单面波浪平板脉动热管并对其传热性能进行实验研究，在空气强制对流冷却情况下分析充液率、倾角、加热功率等对传热性能的影响。

1 实验对象及实验方法

本文中研究的单面波浪脉动热管为一种新颖的板式热管，具有结构简单、耗材少、易于加工等特点，波浪结构增大了散热面。热管结构如图1和图2所示，外形长宽高为210 mm×41.8 mm×2.88 mm，两端盒体连接焊接小管用于抽真空及灌液，形成的梯形通道当量直径为1.664 mm。热管分为蒸发端和冷凝端，长度分别为84 mm和126 mm，热管壳体材料是厚度为0.4 mm的不锈钢薄板。脉动热管工作原理为：工质在脉动槽道中受分子作用力影响始终处于气液相间状态。工作时，热端工质吸热蒸发压力上升，产生推动力，推动气液塞(即工质)向冷端运动并在冷端冷凝放热，工质在毛细力的作用下重新回到热端，往复循环使热量源源不断从热端输往冷端。工作过程中，由于槽道气液塞随机生灭，对金属内壁形成强烈冲刷并破坏热边界层，从而传热得到显著强化。

图1 平板脉动热管截面图(单位：mm)

图2 平板脉动热管实物图

脉动热管传热性能实验系统如图3所示。实验装置包括加热部分、冷却部分和数据采集部分，倾角可精确调节。加热部分由缠绕电阻丝的加热块、交流稳压器、可调变压器、功率表组成，可实现输入功率的任意调节；冷却部分为1台改进的电脑CPU散热风扇，可实现空气强制对流散热；热管中间管壁处沿轴向布置9个温度测点，采用AB胶将镍铬-镍硅热电偶粘贴在管壁上，通过美国吉时利2700数字多用表将测得温度值传输到计算机上进行处理，该数字多用表具有温度补偿功能，精度为6位半，实现温度的精确测量，温度测点布置见图4。实验中热管蒸发段及加热块用保温材料包裹以减少散热。

实验步骤为：在某充液率下，调节不同倾角，在每种倾角下，进行不同加热功率的传热性能实验。实验中热管使用的工质为丙酮，初始真空度为10-2Pa。实验时，当热电偶测量的壁温在15 min内波动小于0.5 ℃时，可认为热管工作达到稳定状态。

本文的传热性能评价指标为当量导热系数，其含义等同于固体导热系数，计算过程如下:

K=QL/A(T1-T2)

(1)

式中：A为热管截面积，cm2；T1为蒸发端平均温度，K；T2为冷凝端平均温度，K；Q为热管的加热功率，W；L为热管的轴向长度，cm；当量导热系数K，W/(cm·K)。

图3 实验装置示意图

图4 测点分布图

2 实验结果分析讨论

对实验结果进行分析与讨论后得到一系列曲线，根据这些曲线，可从以下几个方面对热管的传热性能进行分析和对比。

2.1 充液率对热管传热性能的影响

图5为热管倾角为90°(垂直安放)、60°、30°和0°时，在不同充液率下的传热性能曲线。从图中可以发现，当热管倾角不为0°时，最佳充液率为20%～30%；当热管水平放置时，由于工质回流不畅，在低充液率的情况下易出现传热性能波动甚至急剧恶化的现象，此时应采用较大的充液率。

2.2 倾角对热管传热性能的影响

图6为热管充液率20%、30%、40%和50%时热管在不同的倾角下传热性能曲线。从图中可以看出，除热管0°放置外，热管安装角度对其传热性能影响不大，特别是高充液率情况下；但总体来说90°时热管性能较为优异，这是因为90°时重力对工质回流有很大帮助。热管0°放置时，在低充液率情况下传热性能较差，甚至丧失脉动传热效果，主要是由于工质回流不畅所致，根本原因可能是热管当量直径稍小的缘故。

2.3 加热功率对热管传热性能的影响

由图5和图6可知，随着加热功率的增加，热管的当量导热系数逐渐增大，达到极限后有下降的趋势，说明这种热管存在一个传热极限，和热管槽道的结构设计有很大关系。需要指出的是，对于低充液率高加热功率时，须防止热端出现烧干现象。

图5 在不同倾角时充液率对传热性能的影响

图6 在不同充液率时倾角对传热性能的影响

2.4 低加热功率时脉动热管的特性

在实验过程中发现热管在低加热功率时表现出一些特殊之处，表现为热管内部经常发出断断续续的清脆响声，随之热源和热端的温度突然跳跃降低、冷端的温度出现突然跳跃上升，同时热管当量导热系数也跳跃升高，如图7所示。分析后认为，由于加热功率过低，而管壁导热又不断带走热量，热端需要不断积累热量才能获得足够推动力。当推动力可以克服流动阻力时，气塞推动液塞快速运动至热端顶部撞击管壁造成响声，此时由于冷热端温差突然减小，故当量导热系数突然增大。气塞到达冷凝端后被冷凝，冷端温度又迅速降低，热端温度再次逐渐升高积蓄热量，因此冷热端温度出现波动。此外热管在低加热功率下运行时曾出现长时间未能启动的现象，表现为冷端温度先短暂上升，然后突然下降并基本保持不变，蒸发端温度却持续上升，如图8所示。分析认为是由于冷端的液态工质不能回流至热端，形成冷端堵塞，而此时热管推动力不足、热端因未完全蒸发致使毛细作用力下降，所以冷端积液难以回流。此时如果拿一根木棒轻敲热管外壁，管内工质力平衡破坏，冷端工质在振动作用下回流至热端，则会听到一阵清脆响声，冷端温度和热管当量导热系数都迅速上升，根本原因可能是由于热管的当量直径过小的缘故。

图7 低加热功率时的传热性能

图8 低加热功率时的启动性能

3 结论

对一种单面波浪平板脉动热管的传热性能进行了实验研究，对实验结果分析后得出以下结论：

1)单边波浪脉动热管在用丙酮为工质时最佳充液率在20%～30%。

2)除水平放置外，安装角度对热管的传热性能影响不大，但90°时为最佳状态；水平放置时应预防烧干，可采用较高的充液率。

3)本次设计热管的当量直径稍小，低功率下热管传热性能存在波动，有时甚至不能启动。

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

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