激光制备微热管传热分析与沸腾实验研究

魏 昕，李成彬，谢小柱，胡 伟

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

1 引言

热管的原理是用工作液体在某一端受热情况下温度迅速上升达到其沸点，由工作液体变成气态携带热量至冷凝端，热量在冷凝端散去，而工作气体也由于温度低变成液体，再因为毛细压力工作液体回流。由于受热不断产生热量，所以形成一个不断循环的热量传递模式，正因为此，热管在传热方面有较大的研究意义[1]。

热管技术在当今被认定是一种不可或缺的技术，它随着时代的进步理论不断完善，并且成功应用于生活乃至航空等各个领域。比如热管换热器、电子元器件冷却以及一些工业设备都离不开热管技术[2]。在航空技术中，热管由于自身的特性无重力下工作且结构简单，非常受航天应用的青睐，应用最广的是在温控方面，比如应用在航天飞船里某些装置的散热器或者需要低温制冷的装置等。而在地面上应用更为广泛，电子、太阳能、医疗、机械等都有应用，且有较大的前景[3]。许多新型热管已经批量生产应用于生产实际当中。随着研究深入，成本降低、热管技术的不断成熟、以及制作工艺的提高，热管应用在各行各业越来越普遍，有较大的优势和潜力。

研究者主要针对热管的传热性能、吸液芯结构、材料的选择、加工工艺等方向。对沟槽热管传热性能理论研究主要集中在建立理论模型和软件计算来研究其传热性能[4]。通过建立数学模型以及分析热管内部传热机理来研究其传热性能，比如分析沟槽的尺寸、工作液体的温度流速、以及工作时的倾角等[5]。传热性能主要以当量导热系数、热阻、热量等作为评价指标[6]。吸液芯结构有多种结构，比如SOG 结构、矩形、双微沟槽等新型结构[7]。材料的选择主要以铜、铝等金属与水、乙醇、丙酮等工作液体的相容性有关，具体参照这些物质的物理特性进行合理搭配[8]。加工工艺可以分为机械加工与特种加工，机械加工主要有冲压、刀具切削等[9]，特种加工主要有化学蚀刻法、电解、激光加工等[10]。综合所说，由于热管越来越微型化，需要针对新型热管完善其理论分析，对加工工艺方面需要更高的要求，最后通过实验来验证。

针对以上微热管结构理论分析与制作方法的不足和现今对电子产品散热提出更高的要求，提出建立针翅结构理论模型，使用MATLAB 软件计算出最优解，再采用激光技术制备出针翅结构平板微热管，最后进行实验验证。

2 针翅平板微热管传热分析

在进行针翅的传热分析中，做出如下假设：（1）稳态运行；（2）针翅的导热系数不随温度和方向而变化；（3）针翅的尺寸较小，因此针翅表面和中心线上的温度差与针翅和流体的温度差相比可以忽略；（4）针翅与底板之间没有接触热阻。目标函数则在一定传热量下，使针翅的体积最小和整个针翅结构所占据的体积最小。

根据针翅传热分析做出的假设再接着提出边界条件，主要有以下几个：

（1）针翅高度针翅高度不能太长也不能太短，太短会会会导致翅化系数低，降低传热系数。太长导致换热效率低，针翅高度为0.1mm＜h＜0.5mm。

（2）针翅宽度针翅宽度不宜过小将引起针翅效率下降和翅化系数降低，不利强化传热，针翅宽度0.1mm＜w＜0.5mm。

（3）针翅横向与纵向间距当针翅间距减小时，针翅的数量增多，当量导热系数提高，增加气液之间的传热，提高传热性能。当针翅间距过小时，容易影响针翅之间的工作液体流动，不能有利于提高传热性能，故0.2mm＜sh＜1mm。

忽略热管加热面与外部热源的接触热阻，则蒸发段的热阻模型为热管基板传热热阻和针翅结构传热热阻之和。其式如下：

式中：h—蒸发段热管传热系数，W/（m2·K）；

h1—铜板导热系数，W/（m2·K）；

hj—针翅结构传热系数，W/（m2·K）；

Aj—单个针翅结构所占的横截面积，m2；

A1—整个针翅结构所占的横截面积，m2。

设针翅结构蒸发段的宽度、高度、以及间距等因素代入上述式中。

其式如下：

式中：L—沟槽的长度，m；W1—针翅的宽度，m；W2—沟槽的宽度，m；H—针翅的高度，m；S—针翅的间距，m；δ—沟槽的深度，m。

由上式，在单位传热量下，目标函数所占体积最小，经过软件MATLAB 计算可得出针翅的结果。

设针翅结构冷凝段与绝热段的高度、宽度、以及间距、深度等因素代入上述式中，其式如下：

式中：L—沟槽的长度，m；W1—针翅的宽度，m；W2—沟槽的宽度，m；H—针翅的高度，m；S—针翅的间距，m；δ—沟槽的深度，m。

由上式，在单位传热量下，目标函数所占体积最小，经过软件MATLAB 计算可得出针翅的结果，其结果，如图1 所示。

图1 蒸发端冷凝段计算结果Fig.1 The Calculation Results of Condenser and Evaporation Section

3 针翅平板热管激光制备与传热实验

采用激光制造多功能可协调脉冲波长1064nm 光纤激光加工设备进行针翅结构微热管制备，最大重复频率：1000kHz，光束质量M2＜1.5 等。此激光器主要工艺参数包括扫描速度（最大2000mm/s）、扫描次数、功率（最大 20W）、频率和脉宽（4～200）ns等。使用该激光器加工针翅沟槽结构，针翅尺寸（0.2×0.2×0.3）mm设置扫描次数 6 次，扫描速度 300mm/s，脉宽 200ns，20kHz，功率100%。

沸腾传热实验装置由加热铜棒、数据采集系统、沸腾池、以及装置等组成。以温差作为评价平板微热管传热性能的指标，实验平台，如图2 所示。

图2 沸腾传热实验平台Fig.2 Boiling Heat Transfer Experiment Platform

热电偶的布置位置如下：在加热面上布置2 个测温点T1和T2，用于测定加热面的温度，沸腾池中同样布置2 个测温点T3和T4，用来测量水沸腾时的温度。平板微热管两端温差：

式中：ΔT—热管蒸发段与冷凝段的差值，℃；T1、T2—蒸发段温度，℃；T3、T4—冷凝段温度，℃。

4 实验结果及分析

4.1 针翅高度对传热性能的影响

热管依靠液体相变传递热量，而针翅的结构影响液体蒸发换热。从温差与加热面温度关系图中显示，当针翅高度为0.3mm时，沸腾两端面的温差在90℃时达到最高2.2℃，此时温差当其他针翅高度时最小，从而说明其传热效果最明显，从随着加热面温度从50℃递增到70℃时，温差在逐步递增，而当加热面温度增大到80℃时，温差下降到1.8℃，这是因为针翅表面水温升高，加速蒸发而携带走了大部分热量，引起了温差降低的现象，从而也说明沸腾换热是可以影响传热性能，而当加热面温度达到了90℃时，温差由原来的1.8℃上升到2℃，这是因为蒸发端表面积聚了大量的气泡，形成了一张气模阻碍了气液之间的蒸发换热，降低了传热性能，最终导致了温度升高。而当加热面温度达到了100℃时，蒸发液膜发生由蒸发换热转化成沸腾换热，加速了气液之间的转换，从而带走了更多的热量，降低了温度。不同针翅高度温差变化规律，如图3 所示。

图3 不同针翅高度温差变化规律Fig.3 Temperature Regularity of Difference Pin-Fin Height

4.2 针翅宽度对传热性能的影响

图4 不同针翅宽度温差变化规律Fig.4 Temperature Regularity of Difference Pin-Fin Width

在当针翅宽度为0.2mm，随着加热面温度的升高，沸腾池两侧的温差先增大后减少，当加热面温度达到70℃时，温差达到2.9℃，这是因为加热温度升高，气液面进行一些小规模的换热，而底面的温度上升的比气液面快，所以温差逐渐增大。当加热温度达到70℃以后，温差反而下降，因为小规模的换热变成大规模的沸腾换热，由气体带走大量的潜热，使上下两面的温差逐步减小。当加热面温度达到90℃时，温差2℃，由于大量的气膜在气液表面不停地溃灭以及底面的气泡不停地生长与上升，带动了大量热量交换。当针翅高度偏高或者偏低时，温差基本维持在3℃以上。不同针翅宽度温差变化规律，如图4 所示。

4.3 纵向间距对传热性能的影响

当针翅纵向间距为0.3mm 时，沸腾池的平均温差保持在3.5℃左右，当加热面温度50℃加热至60℃时，温差逐步升高，当温度达到70℃时，温差反而下降，这是因为下半部的水温度升高，而处于气液界面的水温度还没有上升的快，所以温差逐渐增大，当温度上升到70℃时，沸腾池中的气泡逐渐增多，形成较大的气泡膜，隔绝了大部分热量，随着温度继续升高，水快达到沸点，液体加速变成水蒸气，从而携带走更多的热量，使温差反而下降。不同纵向间距温差变化规律，如图5 所示。

图5 不同纵向间距温差变化规律Fig.5 Temperature Regularity of Difference Longitudinal Distance

4.4 横向间距对传热性能的影响

加热面温度由50℃加热到70℃时，沸腾池两端的温差由3.1℃下降到2.9℃，当加热面温度由70℃上升到100℃时，沸腾池两端的温差继续上升，在加热面温度为70℃时，沸腾池两端的温差最低。说明针翅横向间距0.3mm 在加热面温度为70℃时，温差最小。不同横向间距温差变化规律，如图6 所示。

图6 不同横向间距温差变化规律Fig.6 Temperature Regularity of Difference Transverse Distance

5 结论

（1）建立针翅结构的平板微热管数学模型，在单位传热量下，目标函数所占体积最小。

（2）通过MATLAB 软件根据目标函数计算出针翅的高0.3mm，宽0.2mm，横向间距0.3mm，纵向间距0.3mm。

（3）通过沸腾实验进行验证计算出的结果，搭建沸腾池实验平台，最终以温差作为评价指标，当针翅高度为0.3mm 时，沸腾两端面的温差在90℃时达到最高2.2℃，当针翅宽度为0.2mm，随着加热面温度的升高，沸腾池两侧的温差先增大后减少，当加热面温度达到70℃时，温差达到2.9℃，当针翅纵向间距为0.3mm 时，沸腾池的平均温差保持在3.5℃，针翅横向间距0.3mm 在加热面温度为70℃时，温差最小。为以后研究针翅结构优化奠定基础。