仿叶脉分形结构在均热板蒸发端的实验研究*

刘旺玉 王力 罗远强

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

仿叶脉分形结构在均热板蒸发端的实验研究*

刘旺玉 王力 罗远强

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

基于植物叶片蒸腾作用带走大量热的特性,提出了新型仿叶脉分形结构用以优化均热板的热结构,研究了叶片叶脉分形结构吸液芯在蒸发端的传热效果,通过化学腐蚀制作均热板进行试验,分析均热板蒸发端底板下表面与腔内蒸汽温度的温差变化情况并计算各部分的热阻,比较仿叶脉分形结构吸液芯在4种分形角度(30°、40°、50°、60°)时的热特性.实验结果表明,分形角度为40°与50°的结构温差变化不大,均小于分形角度为30°与60°的结构,即其结构热阻更小,工质传热与输送性能更好.

均热板;仿叶脉分形结构;传热

随着光电科技的迅猛发展,电子元器件向着微小化与高度集成化发展,其工作产生的热流密度也越来越大,普通的冷却手段越来越难满足其散热需求[1-2].均热板起源于热管,又因其良好的均温性与导热性而被广泛用于电子产品的散热[3-5].

均热板中吸液芯结构主要有粉末烧结、沟槽、丝网烧结、仿生型与复合型等[6-10].自然界植物叶片的蒸腾作用与均热板的传热与传质过程极其相似.水通过叶脉以及多孔介质流到整个叶片,在气孔腔表面发生相变,水蒸气最后经由气孔传出,整个过程中带走大部分热量.而均热板的热量则由蒸发端传入,传到吸液芯,液态工质相变传热,最后到冷凝段冷却从而带走热量.彭毅[11]以植物叶脉系统为研究对象,研究其流动与传热性能,并引入叶脉吸液芯结构,将其用于冷凝段,实验发现该结构的热阻比传统结构更小,且均温性与传热性能更优.Wang等[7]研究了对称与非对称结构的树形与叶脉分形网络结构的传热与传质性能,发现两种结构中压力与压降的分布差异明显,而叶脉分形结构的综合性能更加优越.植物叶脉经电镜观测为表面多孔结构,在水分传输中会有部分水通过多孔结构扩散到叶脉附近,因此均热板蒸发端上吸液芯结构设计中以多微凸台组成主流道,多孔壁的叶脉分形结构流动更加复杂.Peng等[12]在研究叶脉分形中引入槽道壁渗透的概念,这种多渗透结构拥有更好的传热与工质输送性能.

文中将植物叶脉分形结构应用于均热板蒸发端,并探讨其分形角度对蒸发端传热与流动的影响.

1 理论计算

1.1 叶脉分形理论

Murray[13]根据最优原理即生物体以最小的能量维持血液循环,提出了著名的Murray定律：

(1)

式中,d为上级血管直径,d1、d2为上级血管分支出来的管道直径.该定律同样适用于非生命系统.对于对称分形结构,刘代伟[14]在分叉微通道散热器的研究中计算并验证了在体积不变时的流阻最小化优化原则,其最佳分叉角度为75°,但在加入热源外界条件下,当分形角度为50°时结构的综合散热性能最理想.徐国强等[15]在分叉微通道的流动与换热特性研究中对比了4种分叉角度结构(30°、60°、90°、120°),发现分叉角度为60°时结构的综合换热性能最佳.因此结合现有研究结果,文中设计4种分形角度(θ=30°,40°,50°, 60°)的吸液芯结构进行实验研究.

1.2 微槽道结构热阻分析

如图1所示,对于完整的均热板结构,热量经由基板、弯月面、蒸汽传输到冷凝端,完成传热与传输.热量经由基板下表面传到上表面的传热热阻为Rs,基板上表面通过吸液芯复合结构到弯月面传导热阻为Rs-l.热量在弯月面通过相变传热,其热阻为Rv.通过线性叠加,可知蒸发端的热阻Reva为

Reva=Rb+Rs-l+Rv

(2)

式中,Rb为基板热阻.

图1 蒸发端立柱凸台热阻模型

均热板蒸发端热阻按式(3)进行计算和评估：

(3)

式中,tb为蒸发端基板下表面温度,tv为蒸汽腔内温度,ΔP为输入功率.热阻是评价结构传热性能的重要指标,热阻越小,传热性能越好.

2 实验

2.1 均热板制作

吸液芯总直径为70mm,叶脉分形角度为60°,如图2中所示,蒸发段由12个相同叶脉分形网络系统组成.每个分形渗透网络第一级槽道长为12mm,宽为1mm,下一级与上一级的长度的比值为0.7,为了使化学腐蚀正常进行,宽度得以控制,设定下一级与上一级的宽度差为0.1mm.最后在叶脉槽道附近设置大量微通道,如图2中细线所示,其槽宽为0.3mm.

图2 θ=60°的叶脉分形网络

由于吸液芯微通道尺寸较小,因此难以适用常规加工手段,实验样板采用化学腐蚀方式加工,腐蚀效果如图3所示.首先将1∶1的图样用热映法压印在铜板上,再经过调配好的腐蚀液进行化学腐蚀,最终脱膜清洗得到成品.

图3 4种不同分形角度的样板成品

由于实验中均热板冷凝段采用石英玻璃板以固定均热板蒸发端上区域测试温度的热电偶,因此均热板在工作中,工质受热蒸发,并凝结在玻璃板上,难以及时地回流到蒸发端,因此在设计样板时在吸液芯周围留出多余部分,以便存储足够多的工质,保证工质输送,确保吸液芯中工质不会被蒸干.经过多次实验确认，注入10mL的工质可保证吸液芯工质不会被蒸干.

2.2 实验系统

测试系统主要由吸液芯基板、侧壁环与上盖板组成,如图4所示,其中吸液芯基板材质为红铜,侧壁环与上盖板均为石英玻璃.其中侧壁环高10mm、厚5mm,上盖板厚6mm.基板、侧壁环与上盖板之间加入硅胶垫片,通过8个均匀排布的螺栓连接,形成封闭空间,以供液态工质流动传热.实验液态工质选用潜热较大的去离子水.

如图5所示,实验采集4个物理量,分别为热源温度、基板下表面温度、吸液芯上表面凸台温度以及腔内温度.对不同热源功率与分形角度条件进行实验,以腔内温度t0作为参照来观测文中所设定温度点t1-t9的温度变化情况.其中t1-4为均热板上表面凸台立柱温度t1、t2、t3、t4的算术平均值,t6-9为基板下表面温度t6、t7、t8、t9的算术平均值.Δt1为腔内与吸液芯凸台立柱上表面的温差,Δt2为基板下表面与吸液芯凸台立柱上表面的温差.Δt2反映吸液芯结构热阻大小,Δt1反映薄膜蒸发区的蒸发热阻大小.由于薄膜蒸发区的界面温度难以测量,因此以吸液芯凸台立柱表面的温度近似代替.

图4 测量装配模型以及铜板腐蚀效果图

Fig.4Assemblymodelformeasurementandcorrosiveeffectofcopperplate

图5 实验系统示意图

基板下表面温度与吸液芯凸台立柱上表面温度均通过多次测量求算术平均值的方式来获取准确的数据,两种温度采集点均设在距离均热板中心点25 mm处.腔内温度采集点设在距离吸液芯凸台立柱上表面约1 mm处,热电偶均使用K型热电偶.另外设置多个热电偶触点暴露于空气中,并以温度计作为标准对其热电偶的精度进行校验,实验中检测这些热电偶的温度数据与周围放置的温度计读数相同.

由于实验仅为观测均热板蒸发端工作情况,其中工作中腔内热量难以及时排除,经过理论分析与实验验证综合考虑,实验外部热源功率取20、25、30 W.采用USB-7410数据采集卡进行数据采集,基板加热铜棒直径为30 mm.

2.3 实验数据采集与分析

分形角度为30°的均热板在功率为20、25、30 W时的温度变化如图6所示.由于实验只针对均热板蒸发端的研究,为检测温度将冷凝端以不易散热的玻璃板代替,因此实验中由于缺少散热系统,腔内的热量不能迅速散去,从而导致整体温度逐渐上升,相应的温差变化越来越大,在3种功率下,几个检测点温度均呈均匀上升趋势,而相对温差也在缓慢的上升.从图6中Δt1曲线变化来看,在Δt1曲线中间一段区域，Δt1变化比较平缓,在这段区域其表面薄膜蒸发暂时达到平衡状态,以此段区域内数据计算出的热阻为标准,可对不同分形角度结构进行分析.

图6 分形角度为30°的均热板的温度变化情况

Fig.6 Temperature changes of the vapor chamber with the fractal angle of 30°

不同分形角度下温差Δt3的变化情况如图7所示,据此变化来分析不同分形角度微结构对均热板蒸发端的工质流动与传热的影响.图7(a)显示:在腔内温度达到30°之前,4种均热板蒸发端温差Δt3的变化相近,说明液体工质尚未完全进入工作状态;随着加热升温,分形角度为30°与60°的结构均热板蒸发端温差Δt3逐渐超过分形角度为40°与50°的结构均热板,而分形角度为40°的结构均热板温差仅仅比分形角度为50°的结构均热板高一点.图7(b)中展现了同样的规律,由于加热功率的提高,导致均热板蒸发端温差Δt3在腔内温度达到30°之前变化不大,之后分形角度为30°与60°的结构均热板温差Δt3逐渐超过另外2种结构且温差越来越大,分形角度为40°与50°的结构均热板温差Δt3差别不大,且上升幅度较缓慢.

图7 4种分形角度结构温差Δt3的变化情况

Fig.7 Changes of temperature difference Δt3of four structures with fractal angles

从图6中选取适当数据并由式(3)计算其结构热阻,结果如表1所示.从表中可知,分形角度为30°的结构热阻最大,其次是分形角度为60°的结构,分形角度为40°与50°的结构热阻最小,这与前面均热板吸液芯分形角度对热阻的影响的结论一致,即不论吸液芯结构在冷凝端还是在蒸发端,分形角度为40°与50°的结构热阻都小于分形角度为30°与60°的结构热阻,其工质流动与传热性能更优.

表1 不同加热功率下4种结构的热阻

Table 1 Resistances of four structures under different heating powers

加热功率/Wt0/℃热阻/(℃·W-1)θ=30°θ=40°θ=50°θ=60°20350.440.380.370.40400.470.370.360.41450.480.390.370.4330350.460.340.330.39400.480.360.330.42450.460.350.340.40500.460.360.350.40

实验得到完整均热板在加热功率为20 W时的热阻为0.31～0.39 ℃/W[11],而实验计算蒸发端热阻在加热功率为20W时为0.36～0.48 ℃/W.实验中由于未加入冷凝端冷凝,且腔内气压为标准大气压,因此测量的温差较完整均热板工作时的温差大,因此计算得到的热阻大于真实值.但在同种实验条件下,不同结构热阻的变化呈现出规律性变化.

3 结论

文中将仿植物叶脉分形结构应用于均热板蒸发端吸液芯结构的设计,在常压下观测了蒸发端工作时的温差变化.实验结果表明,不同分形角度的均热板蒸发端吸液芯微结构热阻不一样,其中分形角度为40°与50°的结构热阻小于分形角度为30°与60°的结构热阻.因此,对于仿生叶脉结构在蒸发端微结构的应用上,可以选用更恰当的分形角度.文中仅是初步研究了4种分形角度(30°、40°、50°、60°),今后拟对40°～50°之间的分形角度进行分析.

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Experimental Investigation into Leaf-Vein-Like Fractal Structure Applied to Evaporation of Vapor Chamber

LIUWang-yuWANGLiLUOYuan-qiang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Due to the fact that the transpiration of plant leaves takes away a large amount of heat, a new leaf-vein-like fractal structure is designed to optimize the thermal structure of vapor chambers, and the heat transfer effect of a leaf-vein-like fractal structure wick in the evaporation of vapor chambers is investigated. Then, by preparing a vapor chamber through chemical etching to perform a thermal experiment, the changes of the temperature difference between the bottom surface of the evaporation and the steam in the vapor chamber are discussed, and the thermal resistance of each part is calculated. Moreover, the thermal characteristics of the wick at the fractal angles of 30°, 40°, 50° and 60° are compared. The results indicate that the structures of the fractal angles of 40° and 50° have almost the same thermal performance, and the performance is better than those at the fractal angles of 30° and 60°, which means that smaller thermal resistance brings about better heat transfer and flow behaviors.

vapor chamber; leaf-vein-like fractal structure; heat transfer

1000-565X(2017)01- 0118- 05

2016- 03- 22

国家自然科学基金资助项目(51375169)

Foundation item： Supported by the National Natural Science Foundation of China(51375169)

刘旺玉(1966-)，女，博士，教授，主要从事现代加工方法与结构优化设计研究.E-mail:mewyliu@scut.edu.cn

TK 172

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.01.017