“Ω”形轴向槽道热管传热系统传热能力试验研究

韩娜丽 徐红艳 陈跃勇 张 添 董德平

(1中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)(2中国科学院大学 北京 100049)

“Ω”形轴向槽道热管传热系统传热能力试验研究

韩娜丽1,2徐红艳1陈跃勇1,2张 添1,2董德平1

(1中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)(2中国科学院大学 北京 100049)

开展了“Ω”形轴向槽道热管传热系统使用不同界面填料时在不同传热量下各个部分温差的试验研究，比较了热管在不同安装条件下热管温差、热管两端翅片与其安装面的传热温差、管壳与翅片的温差以及热端安装面与冷端安装面的温差。研究表明，热端安装面的温度与冷端安装面的温度均随加热量的增大而升高；界面材料不同，热端安装面与冷端安装面的温度分布不同，石墨片作为界面材料时安装面的温度均匀性更好；各个部分的温差基本也随加热量的增大而增大。

热管 导热填料 加热量 温差

1 引 言

热管是一种利用工质的蒸发、凝结相变和循环流动而工作的器械。热管具有较高的等温性，可在小温差下传递大热流，因而成为高热流密度散热的重要手段之一。

热管传热系统的性能好坏不仅与热管自身的传热能力有关，还与安装方式和传热量有关。热管传热系统的温差由多处热阻造成的，包括热管内部本身的热阻、热管翅片与热管壳体、热管安装面与热管翅片间的热阻等。

近年来国内外对槽道热管传热特性已进行了较为深入的理论分析和试验研究[1-6]，而针对热管安装方式对传热性能的影响分析却很少。因此，对目前工程项目中使用较多的“Ω”形轴向槽道热管，在以螺钉安装方式下，采用不同的中间填料对热管传热系统的传热能力进行了试验研究，获得了热管传热系统在传递不同热量时，各组件间的温差变化情况。

2 热管传热能力理论分析

热管系统传热过程中的热阻主要可以分为热管热端翅片与热源间的接触热阻、热管自身的传热热阻、热管冷端翅片与冷源间的接触热阻等组成，其中热管自身的热阻包括热端翅片与壳体间的热阻、热管冷端翅片与壳体间的热阻以及热端与冷端之间管体的轴向热阻，如图1所示，把上述的过程看作是串联过程，热管传递热量的多少取决于上述过程的总热阻。正是这些热阻的存在使热管在传热过程中出现了相应的温差。

图1 热管传热过程中的热阻分析Fig.1 Thermal resistance analysis of heat pipe during heat transfer process

热管系统传热能力的大小与多种因素有关，如两接触面材料热导率、接触表面形貌、连接方式、加载压力大小等。例如对于翅片型热管传热系统，影响该系统的传热性能的参数包括翅片厚度、翅片与管壳的连接方式、翅片的材质、安装螺钉的分布和个数、安装界面的填料等。

本文主要针对热管与热源、冷源的连接方式对系统传热能力的影响开展试验研究。热管安装时，热管与安装面间的填料选择了工程上常用的导热垫和具有超强散热能力的石墨片，比较两种安装方式下的传热效果。

3 试验装置

试验装置实物图如图2所示，由热管、冷源和热源模拟板、系统安装支架、温度测量和采集系统，水冷机组和直流电源等组成。热管为Ø10单孔，长730 mm的Ω形铝氨热管，安装在热源模拟件和冷源的平板上，热端安装面翅片尺寸为50 mm×290 mm，冷端安装面翅片尺寸为30 mm×137 mm。热管翅片与热源、冷源模拟件通过螺钉连接，热管热端使用8个M3×10不锈钢螺钉与热源连接，热管冷端用6个M3×10不锈钢螺钉与冷板连接，螺钉帽垫有M3标准弹垫和平垫，冷热端安装面填充同种导热填料。热源模拟板为铝材平板(100 mm×300 mm×12 mm)，背面粘贴薄膜加热器作为模拟热源；冷端安装板为铝材平板(160 mm×200 mm×25 mm)，内部有紫铜盘管接水冷机组，通过PID实现温控功能。在安装板、翅片和管壳上布多个Pt1000铂电阻及薄膜T型热电偶来实现温度测量，试验中各个测点的分布图如图3所示。具体试验设备列表如表1所示。

图2 试验装置实物图Fig.2 Physical maps of testing apparatus

图3 试验各测点的分布图Fig.3 Test measuring points distribution map

表1 试验设备列表Table 1 Experimental setup list

热管冷热端的高度可以通过安装支架调整，使冷热端保持在相同的高度，保证热管自身的传热能力。为降低外界环境的影响，降低对流和辐射传热，将整个装置用隔热泡沫包覆。

4 试验工况

安装调试试验装置，调节安装扭矩，调整热管冷热端高度，保证热管能够正常工作，开始本工况试验，具体试验程序如下：

(1)开启数据采集系统，测试初始状态时温度测量的误差；

(2)开启水冷机组，将冷板温度控制在18±0.5 ℃；

(3)开启直流电源输入恒定功率模拟发热；

(4)待温度稳定后，改变试验工况，重新试验；

(5)分别对导热垫和石墨片为填料进行传热能力测试，对于固定扭矩的条件下，改变加热功率，功率分别设置为5、10、15、20、25、30、35 W；

(6)为考虑安装面压力变化对传热性能的影响，改变螺钉扭矩分别为：0.6、0.8、1.0、1.2 N·m，重复试验。

5 测试结果分析

主要从热管安装面间温差、热管管体与翅片温差、热管自身冷热端间的温差情况考察传热性能。

图4给出了热管安装面的温度随加热功率的变化曲线，从测试结果看，无论哪种安装方式，冷热端安装面的温度均随加热量的增大而增大。对于导热垫安装方式，扭矩为1.2 N·m时，当加热功率为5 W时，热端安装面最高温度为21.1 ℃，冷端安装面最高温度为18 ℃；当加热功率为35 W时，热端安装面最高温度为37.2 ℃，冷端安装面最高温度为25.1 ℃，功率增加30 W，热端温度升高16.1 ℃，冷端温度升高7.1 ℃。对于石墨片安装方式，扭矩为1.2 N·m时，当加热功率为5 W时，热端安装面最高温度为21.3 ℃，冷端安装面最高温度为18.4 ℃；当加热功率为35 W时，热端安装面最高温度为33.03 ℃，冷端安装面最高温度为21.8 ℃，功率增加30 W，热端温度升高11.7 ℃，冷端温度升高3.4 ℃。二者相比，使用石墨片为中间填料时安装面的温度较低，能将热源的热量更有效地通过热管传输出去。

图4 热端/冷端安装面温度随加热量变化的曲线Fig.4 Hot end/cold end mounted interfaces temperature curves variation with heat input

从图5中可以看出安装面的温度分布并不均匀，使用石墨片时安装面不同位置的温度分布更为集中，在所有试验工况中，使用导热垫时热端安装面的最大温差为7.5 K，而使用石墨片时最大温差为2.5 K；使用导热垫时冷端安装面的最大温差为4.2 K，而使用石墨片时最大温差为1.5 K。两者比较可知，使用石墨片作为中间填料的均温效果明显高于使用导热垫。

图5 热端/冷端安装面不同位置温度分布曲线Fig.5 Hot end/cold end mounted interfaces different positions temperature distribution curves

从图6可以看出，热管翅片和安装面间的温差基本也是随着加热功率的增大而增大(采用石墨片的安装方式时，对于所有工况，热端安装面与翅片温差3呈下降趋势，这与热端安装面温度3温度较低有关。)。对于导热垫安装方式，扭矩为1.2 N·m时，当加热功率为5 W时，热端安装面与翅片的最大温差为1.7 ℃，最小温差为0.2 ℃，冷端安装面与翅片的最大温差为1.8 ℃，最小温差为0.9 ℃，当加热功率为35 W时，热端安装面与翅片的最大温差为4.1 ℃，最小温差为1.2 ℃，冷端安装面与翅片的最大温差为8.9 ℃，最小温差为4.5 ℃；对于石墨片安装方式，扭矩为1.2 N·m时，当加热功率为5 W时，热端安装面与翅片的最大温差为1.5 ℃，最小温差几乎为0 ℃，冷端安装面与翅片的最大温差为1.4 ℃，最小温差为1 ℃，当加热功率为35 W时，热端安装面与翅片的最大温差为5.0 ℃，最小温差为0.7 ℃，冷端安装面与翅片的最大温差为5.7 ℃，最小温差为4.8 ℃。从以上的分析可知，两种中间填料都使热管安装面与翅片间产生了温差，这个温差也将影响热管传热系统的传热性能，应尽量减小该温差。

图6 热端/冷端安装面与热管翅片的温差随加热量变化的曲线Fig.6 Temperature difference between hot end/cold end and heat pipe fin curves variation with heat input

在同种安装方式下，管壳与翅片的温差随着加热量的变化也发生变化，且冷端管体与翅片的温差是很明显的线性变化，如图7所示。中间填料为导热垫时， 加热功率小于20 W时， 热端管壳温度1高于翅片温度2，大于20 W时，热管管壳温度1低于翅片温度2；加热功率小于15 W时，热端管壳温度2高于翅片温度4，大于15 W时，热管管壳温度2低于翅片温度4；加热功率小于30 W时，热端管壳温度3高于翅片温度6，大于30 W时，热管管壳温度3低于翅片温度6，虽然出现这样的现象，但热管管体与翅片的温差与冷端相比并不大，均在1 ℃内，这也可能是由于管体与翅片测温所用的传感器精度不同造成的。中间填料为石墨片时，螺钉使用不同扭矩安装时，热端管壳与翅片的温差1、2随加热功率的增大而变大，且热端管体温度高于翅片温度，这与采取石墨片覆盖在管壳与翅片的安装方式有关，由于石墨片与翅片贴合不紧密，造成热量从中间填料的石墨片流经覆盖在热管上的薄石墨片，然后传给壳体，再经壳体传输到翅片，因此翅片温度比管壳温度低。热端管壳与翅片的温差3变化趋势与其它位置的温差不同，呈下降趋势，但温差在0.8 ℃内，这与石墨片的黏贴方式有关，后面将改进石墨片的安装方法。由上可知，热管管壳与翅片的温差，尤其是冷端管壳与翅片的温差较大，这将对热管的整体传热产生一定的影响。

图7 热管管壳与翅片的温差随加热量的变化曲线Fig.7 Temperature difference between heat pipe shell and heat pipe fin curves variation with heat input

图8为不同螺栓扭矩下热管自身温差随加热量的变化曲线。从测试结果看，无论哪种导热填料，热管冷热端自身的温差均随加热量的增加呈线性增加的趋势，对于导热垫情况热管温差不大于0.5 ℃，对于石墨片情况热管温差不大于1.5 ℃。因此认为在热管能够正常工作的情况下，热管自身的热阻对该传热系统传热能力的影响不大。

图8 不同螺栓扭矩下热管自身温差随加热量的变化曲线Fig.8 Heat pipe temperature difference curves variation with heat input in different bolted joints torque

在整个研究过程中虽然改变了热管安装的螺钉扭矩，但是从试验结果的分析来看，螺钉扭矩对各个温差的影响并没有那么显著， 各个温差随扭矩的变化趋势比较分散，这可能与试验中热管安装使用的螺钉尺寸、螺钉间距有关，在后续研究中将作进一步的探讨。

图9表示的是不同安装方式下热管整个传热系统中热端安装面与冷端安装面的温差，从图中可以看出，随着加热量的增大，热冷端安装面的温差都是逐渐增大的，且对于同一加热量同一扭矩，使用石墨片可以减小热冷端安装面的温差，最大减少了1.6 ℃，由此可以看出，使用石墨片可以减小从热源到冷源热管整个传热系统的温差，因此建议工程上采用石墨片作为热管安装的导热填料。

图9 热端安装面与冷端安装面温差随传热量的变化曲线Fig.9 Temperature difference between hot end and cold end mounted interfaces curves variation with heat input

表2表示的是热管采用石墨片为中间填料时在螺钉扭矩为1.2 N·m、加热功率为35 W时热管传热系统中各个温差的分布情况，从表中可以看出，冷端翅片与安装面温差最大，对热管传热效果的影响也将很大，热端安装面与翅片的温差、冷端管壳与翅片的温差也较大，对热管传热的影响也不容忽视，因此在工程应用中应适当改进热管翅片与安装面的安装方法，以减小由于界面间由于不完全接触而产生的温差。

表2 各个温差随功率变化分布表Table 2 Temperature difference distribution list variation with heat input

6 结 论

通过对“Ω”形轴向槽道热管传热系统在不同安装条件和不同热负荷条件下的传热特性测试，获得以下结论：

(1)同种安装条件下，随着加热量的增加，热管安装面与翅片的温差、热管管壳与翅片间的温差、热管自身温差基本都呈线性增加的趋势。

(2)对于热管传热系统的传热特性，用石墨片作为导热填料比用导热垫作为导热填料好。

(3)安装扭矩的变化对独立点的温差影响趋势比较分散，没有明显的规律，但从整个热管传热系统来看仍然是扭矩越大，温差越小。

(4)加强接触面的散热可有效提高热管传热系统的传热能力，降低接触面的热阻仍然是工程上努力的方向。

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Experimental investigation of heat transfer capability of “Ω” shape axial grooved heat pipe heat transfer system

Han Nali1,2Xu Hongyan1Chen Yueyong1,2Zhang Tian1,2Dong Deping1

(1Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Science，Shanghai 200083，China)(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

An experimental investigation of temperature difference between component elements in “Ω” shape axial grooved heat pipe heat transfer system with different interface conductive materials was carried out under different heat transfer rates to compare the heat pipe temperature difference，the heat transfer temperature difference between both ends of heat pipe fins and mounted interfaces and the temperature difference between wall and fin in different installation situations. The results indicated that both heat resource mounted interface temperature and heat sink mounted interface temperature rises with heat input increasing，and the temperature distribution on the mounted interface is different due to different interface conductive materials. The temperature uniformity is better when graphene sheet is used as the interface conductive material. Nearly every temperature difference rises with heat input increasing.

heat pipe；interface conductive material；heat input；temperature difference

2015-12-07；

2016-02-26

韩娜丽，女，29岁，博士研究生。

TB663

A

1000-6516(2016)02-0038-07