并聯(lián)梯形槽道板式脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能研究

夏侯國(guó)偉孔方明謝明付

(1長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410076;2中國(guó)人民解放軍92002部隊(duì) 汕頭 515000)

并聯(lián)梯形槽道板式脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能研究

夏侯國(guó)偉1孔方明2謝明付1

(1長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410076;2中國(guó)人民解放軍92002部隊(duì) 汕頭 515000)

為分析板式脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能的影響因素，對(duì)一種并聯(lián)梯形槽道板式脈動(dòng)熱管在空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，熱管在低加熱功率下的啟動(dòng)行為呈現(xiàn)冷熱端溫度平穩(wěn)上升和跳躍兩種，其中跳躍行為又分為跳躍后冷熱端溫度繼續(xù)上升與逐漸下降兩種；而熱管在高加熱功率下的啟動(dòng)行為主要為溫度跳躍；同時(shí)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)熱管的完全啟動(dòng)溫度隨充液率及傾角的增加而增加，與加熱功率無(wú)關(guān)；加熱功率影響啟動(dòng)速度，功率越高熱管啟動(dòng)速度越快。

板式脈動(dòng)熱管；并聯(lián)梯形槽道；啟動(dòng)性能；充液率；加熱功率

Akachi于20世紀(jì)90年代提出脈動(dòng)熱管[1]，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、沒(méi)有傳統(tǒng)毛細(xì)極限[2]，在航空航天及電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[3]，吸引國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，研究重點(diǎn)集中在分析穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)傳熱性能的影響因素，獲得了許多有益結(jié)論。脈動(dòng)熱管的工作包含啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行兩過(guò)程，不可分割。啟動(dòng)溫度高低同樣關(guān)系到電子設(shè)備安全及性能，如啟動(dòng)溫度過(guò)高，會(huì)超出設(shè)備允許的溫度范圍，從而影響設(shè)備的性能，熱管也就失去意義。然而，目前針對(duì)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)的研究開(kāi)展的較少，從所查閱的資料看，Khapdekar S等[4]、Xu JL等[5]、徐榮吉等[6]、劉向東等[7]、王訊等[8]曾對(duì)蛇形圓管式回路脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；權(quán)力等[9]對(duì)矩形截面蛇形回路槽道平板脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，且該槽道布局本質(zhì)上與蛇形圓管式回路脈動(dòng)熱管相類似；史維秀等[10]對(duì)并聯(lián)正方形板式脈動(dòng)熱管主要進(jìn)行了啟動(dòng)性能研究，但其內(nèi)容沒(méi)有涉及啟動(dòng)過(guò)程的主要現(xiàn)象——溫度突變現(xiàn)象?？傮w來(lái)看，目前脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能的研究還很不充分，啟動(dòng)過(guò)程及其機(jī)理至今尚未了解透徹。相關(guān)研究表明，脈動(dòng)熱管的槽道截面形狀與槽道聯(lián)通情況對(duì)其性能影響很大[11－15]，不同的結(jié)構(gòu)甚至可能出現(xiàn)不同的結(jié)論。為更好地探索啟動(dòng)機(jī)理，有必要加強(qiáng)對(duì)不同結(jié)構(gòu)板式脈動(dòng)熱管啟動(dòng)的研究，以分析總結(jié)其規(guī)律。本文提出了一種非回路的并聯(lián)槽道板式脈動(dòng)熱管，其槽道截面為尖銳梯形，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析其在空氣強(qiáng)制對(duì)流條件下的啟動(dòng)過(guò)程及相關(guān)影響因素的作用。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)方法

本文的并聯(lián)梯形截面槽道板式脈動(dòng)熱管是一種新穎結(jié)構(gòu)的熱管，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材少、易加工等特點(diǎn)，平面受熱端適合電子器件的散熱，甚至可直接將受熱面與集成電路板整合為一體。蒸發(fā)端和冷凝端由數(shù)條具有尖銳梯形槽道并聯(lián)連接，尖銳角度可增大回流毛細(xì)力，外部波浪結(jié)構(gòu)既可增大散熱面積又可強(qiáng)化擾動(dòng)散熱。長(zhǎng)寬高尺寸為210 mm×41.8 mm× 2.88 mm，梯形槽當(dāng)量直徑1.664 mm。熱管冷熱端長(zhǎng)度分別為126 mm和84 mm，殼體采用0.4 mm不銹鋼薄板。板式脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 板式脈動(dòng)熱管截面圖(單位:mm)Fig·1 Section of plate pulsating heat pipe(unit:mm)

圖2 板式脈動(dòng)熱管實(shí)物圖Fig·2 Actual object of Plate pulsating heat pipe

脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，包括加熱、冷卻及數(shù)據(jù)采集三部分。加熱部分由纏繞電阻絲的加熱塊、可調(diào)變壓器、功率表組成；冷卻部分采用CPU散熱風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱；數(shù)據(jù)采集部分采用Keithley2700數(shù)字多用表，通過(guò)數(shù)根K型熱電偶對(duì)熱管壁溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，熱電偶測(cè)量精度為± 0.4%，Keithley2700數(shù)字多用表具有六位半精度。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig·3 SchematiCdiagramof experimental appara tus

圖4為溫度測(cè)點(diǎn)布置圖。熱管每隔20 mm布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，另外加熱塊布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共10個(gè)測(cè)點(diǎn)。為減少實(shí)驗(yàn)熱損失，蒸發(fā)段及加熱塊用石棉包裹。熱管工質(zhì)為丙酮。實(shí)驗(yàn)步驟:1)利用真空泵將熱管的真空度抽到9.5×10－5Pa，并保持每次所抽的真空值不變；2)對(duì)熱管進(jìn)行灌液；3)在各充液率下，調(diào)節(jié)不同傾角，在每個(gè)傾角度下進(jìn)行不同加熱功率的啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)；4)每組工況進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖Fig·4 Distribution ofmeasuring points

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，為減小隨機(jī)誤差，選取每組實(shí)驗(yàn)工況下較典型的曲線作為研究對(duì)象，根據(jù)這些曲線，從以下兩方面對(duì)熱管的啟動(dòng)過(guò)程及啟動(dòng)影響因素進(jìn)行分析與討論。

2·1 幾種典型的熱管啟動(dòng)過(guò)程

2·1·1 低功率下熱管啟動(dòng)過(guò)程

圖5為加熱功率15 W時(shí)，熱管啟動(dòng)過(guò)程溫度曲線圖。熱管在此功率下的啟動(dòng)行為大致分為兩大類:一類是熱端、冷端溫度平穩(wěn)上升；另一類是熱端、冷端溫度發(fā)生跳躍，其中又分為跳躍后溫度繼續(xù)上升和跳躍后溫度逐漸下降兩種情況。由圖5(a)、(b)、(c)可知，熱管啟動(dòng)是否存在跳躍，主要與熱管充液率有關(guān)。當(dāng)充液率低時(shí)，管內(nèi)汽液塞數(shù)量少，因此，低加熱功率下，熱端工質(zhì)在低飽和參數(shù)時(shí)產(chǎn)生的蒸氣能克服阻力推動(dòng)液塞向冷端移動(dòng)，將熱端吸收的熱量及時(shí)傳遞到冷端，所以冷熱端的溫度表現(xiàn)為平穩(wěn)上升；當(dāng)充液率高時(shí)，管內(nèi)形成的氣液塞數(shù)量多，熱端工質(zhì)產(chǎn)生的蒸氣只有積累到某一更高飽和參數(shù)才能克服阻力推動(dòng)氣液塞向冷端移動(dòng)，此時(shí)輸送到冷端的熱量比低飽和參數(shù)時(shí)要大很多，因此冷熱端溫度都出現(xiàn)明顯的跳躍變化。從圖5(c)和(d)可知，冷熱端溫度跳躍后是繼續(xù)上升還是逐漸下降，與熱管初始安裝角度即傾角有關(guān)。熱管傾角越大，重力產(chǎn)生的阻力越大，熱端蒸氣需要積累到的飽和參數(shù)也越高，甚至超過(guò)其穩(wěn)定工作時(shí)的飽和參數(shù)，此時(shí)溫度跳躍后熱端吸熱量低于回流蒸發(fā)吸熱量，故溫度跳躍后逐漸下降；當(dāng)傾角為0°時(shí)，無(wú)重力產(chǎn)生的阻力，蒸氣需要積累到的飽和參數(shù)低于穩(wěn)定工作時(shí)的參數(shù)，溫度跳躍后熱端吸熱量高于冷端回流蒸發(fā)吸熱量，故溫度跳躍后繼續(xù)上升。

2·1·2 高功率下熱管啟動(dòng)過(guò)程

圖5 低加熱功率15W時(shí)熱管的啟動(dòng)過(guò)程Fig·5 Heat pipe start-uPprocess of 15W low heating power

圖6 高加熱功率40W時(shí)熱管的啟動(dòng)過(guò)程Fig·6 Heat pipe start-uPprocess of 40W high heating power

圖6為加熱功率40 W時(shí)，熱管啟動(dòng)過(guò)程的溫度曲線圖。熱管在此加熱功率下的啟動(dòng)行為是:熱管完全啟動(dòng)瞬間都出現(xiàn)熱端溫度跳躍下降、冷端溫度跳躍上升，并在跳躍后冷熱兩端溫度繼續(xù)上升的現(xiàn)象。這是因?yàn)闊峁茉诟吖β氏聠?dòng)時(shí)，無(wú)論工質(zhì)多還是少，熱端吸熱量都大于傳遞到冷端的熱量，因此熱端工質(zhì)不斷積蓄熱量，直至蒸氣的飽和參數(shù)積累到能推動(dòng)大量液塞向冷端移動(dòng)，此時(shí)冷熱端的溫度都會(huì)發(fā)生跳躍，此后熱管便完全啟動(dòng)。分析圖6(a)、(b)、(c)，不同充液率的情況下，熱管在45°傾角、40 W高功率下都呈現(xiàn)跳躍式啟動(dòng)，而充液率只對(duì)冷端溫度跳躍的幅度有一定影響，20%、30%、50%的溫度跳躍幅度分別為9.2℃、13.5℃和32.3℃。這是因?yàn)槌湟郝试酱螅瑹峁軉?dòng)所積蓄的熱量越大，跳躍越明顯。比較圖6(c)和(d)可知，50%高充液率、40 W高加熱功率下，傾角對(duì)熱管跳躍式啟動(dòng)行為影響非常小，原因是此時(shí)熱端啟動(dòng)所需飽和壓力比傾角引起的重力性阻力大很多，因此傾角影響不大。

2·2 影響熱管啟動(dòng)過(guò)程的因素

由于脈動(dòng)熱管啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，且處于研究起步階段，所以目前為止對(duì)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)尚無(wú)嚴(yán)格統(tǒng)一的定義。大部分情況下，脈動(dòng)熱管完全啟動(dòng)時(shí)冷、熱端溫度會(huì)發(fā)生明顯的突變，故目前普遍以冷、熱端溫度發(fā)生突變?yōu)閱?dòng)標(biāo)志，且把熱端突變前的溫度定義為啟動(dòng)溫度。應(yīng)指出的是，在低加熱功率下也有冷、熱端溫度無(wú)突變，而熱管已啟動(dòng)的現(xiàn)象存在，此時(shí)熱管啟動(dòng)溫度如何確定有待進(jìn)一步商榷。本文啟動(dòng)溫度的確定，仍沿用目前通用方法確定，并在此基礎(chǔ)上研究并聯(lián)槽道板式脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)過(guò)程及其影響因素。

2·2·1 傾角對(duì)熱管啟動(dòng)過(guò)程的影響

圖7和圖8分別為充液率50%時(shí)，不同傾角下的熱管啟動(dòng)過(guò)程溫度曲線圖。其中圖7傾角為30°、圖8為90°，熱管的完全啟動(dòng)溫度分別為53℃、63℃。由此可知，充液率一定時(shí)熱管在某一傾角下對(duì)應(yīng)一定的完全啟動(dòng)溫度，傾角越大溫度就越高。這是因?yàn)閮A角越大，重力產(chǎn)生的阻力也更大，因此熱端蒸氣需要達(dá)到的飽和參數(shù)也越高，熱管的完全啟動(dòng)溫度也越高。

2·2·2 加熱功率對(duì)熱管啟動(dòng)過(guò)程的影響

由圖7和圖8可知，加熱功率為15 W和40 W時(shí)，熱管的完全啟動(dòng)溫度均為53℃與63℃，加熱功率對(duì)熱管完全啟動(dòng)溫度的高低基本沒(méi)有影響，但從圖中可以看出加熱功率影響熱管啟動(dòng)的快慢，加熱功率越高，熱管啟動(dòng)越迅速。原因是脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)條件為熱端飽和壓力大于等于冷端運(yùn)動(dòng)阻力，當(dāng)充液率、傾角及環(huán)境溫度不變時(shí)，冷端氣液分布及毛細(xì)作用力、重力軸向分力也不變，啟動(dòng)需要克服的阻力隨之確定。熱管中熱流密度隨加熱功率增大而增大，其達(dá)到啟動(dòng)所需飽和壓力耗時(shí)變短，故啟動(dòng)速度加快。

圖7 充液率50%、傾角30°時(shí)熱管的啟動(dòng)過(guò)程Fig·7 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when liquid filling ratio is 50%,inclination angle is 30°

2·2·3 充液率對(duì)熱管啟動(dòng)過(guò)程的影響

圖9為功率30W、傾角45°時(shí)熱管在不同充液率的啟動(dòng)過(guò)程溫度曲線圖。其中，圖9(a)為20%充液率，圖9(b)為30%充液率，熱管的完全啟動(dòng)溫度分別為53℃、58℃。由此可知，傾角一定時(shí)，充液率越高，熱管的完全啟動(dòng)溫度也越高。這是因?yàn)閮A角相同時(shí)，熱管充液率越高，熱端液態(tài)工質(zhì)也越多，管內(nèi)分布的氣液塞也越多，熱端工質(zhì)需要達(dá)到的飽和參數(shù)也越高，熱管的完全啟動(dòng)溫度也就越高。

3 結(jié)論

本文對(duì)一種并聯(lián)梯形截面槽道平板脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后表明:

1)低加熱功率和高加熱功率下的啟動(dòng)過(guò)程不同，表現(xiàn)在冷熱端的溫度變化分為平穩(wěn)上升和跳躍兩種，其中跳躍又分為跳躍后溫度繼續(xù)上升或者逐漸下降兩種情況。

圖8 充液率50%、傾角90°時(shí)熱管的啟動(dòng)過(guò)程Fig·8 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when liquid filling ratio is 50%,inclination angle is 90°

圖9 功率30W、傾角45°時(shí)熱管的啟動(dòng)過(guò)程Fig·9 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when heating power is 30W,inclination angle is 45°

2)低加熱功率時(shí)，充液率低，啟動(dòng)過(guò)程中冷熱端溫度平穩(wěn)上升；充液率高，溫度發(fā)生跳躍。其中傾斜角度為0°，跳躍后溫度繼續(xù)上升，傾斜角度大于0°則會(huì)逐漸下降。

3)高加熱功率時(shí)，冷熱端溫度都表現(xiàn)為跳躍后繼續(xù)上升；充液率只對(duì)跳躍幅度有影響，充液率越高，跳躍的幅度越大；而傾斜角度對(duì)啟動(dòng)行為影響較小。

4)熱管完全啟動(dòng)溫度隨充液率或角度增大而增大，與加熱功率變化無(wú)關(guān)。

5)加熱功率只影響熱管的啟動(dòng)速度，功率越大啟動(dòng)速度越快。

本文受湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12JJ2031)和長(zhǎng)沙市能源局([2008]27-8)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (No. 12JJ2031)and Changsha Energy Administration(No.[2008]27-8).)

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About the corresponding author

Xiahou Guowei，male，associate professor，College of Energy and DynamiCEngineering，Changsha University of Science and Technology，＋86 13548617113，E-mail:xh_gw＠126.com.Research fields:efficient heat transfer enhancement.

Study on the Start-uP Performance of Plate Pulsating Heat Pipe with Parallel Trapezoidal Channel

Xiahou Guowei1Kong Fangming2Xie Mingfu1

(1.College of Energy and DynamiCEngineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410076，China；2.No.92002 Unit，People’s Liberation Army，Shantou，515000，China)

In order to analyze the factors which affect the start-uPperformance of plate pulsating heat pipe，a plate pulsating heat pipe with parallel trapezoidal channelwas experimentally investigated in the forced air convection cooling conditions.Results indicate that heat pipe start-uPbehavior at low heating power are temperature rise steadily and jump，and the jumPcase is divided into two categories:the temperature of evaporator and condensation rise steadily and gradually declined；while heat pipe start-uPbehavior at high heating power is mainly temperature jump.In addition，the full start-uPtemperature of heat pipe riseswith the increased liquid filling ratio and inclination angle，it has nothing to dowith the heating power.Specially，heating power influences the start-uPspeed.The higher heating power leads to the faster heat pipe start-up.

plate pulsating heat pipe；parallel trapezoidal channel；start-uPperformance；liquid filling ratio；heating power

TB61＋1；TB657.5

A

0253－4339(2015)02－0089－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.089

簡(jiǎn)介

夏侯國(guó)偉，男，副教授，長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，13548617113，E-mail:xh_gw＠126.com。研究方向:高效強(qiáng)化傳熱研究。

2014年7月2日