蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)的性能研究

(1 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640；2 華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院 廣州 510640)

隨著電子元器件的體積小型化且熱流密度越來(lái)越大，迫切需要小型高效的熱傳輸設(shè)備來(lái)解決其散熱問(wèn)題[1]。為解決高熱流密度微小型電子元器件的散熱問(wèn)題，相變傳熱因其較高的傳熱效率受到眾多學(xué)者的青睞。

目前，在相變傳熱的研究和應(yīng)用中，主要以熱管和用泵作為驅(qū)動(dòng)力的兩相傳熱系統(tǒng)為主。熱管技術(shù)因其成熟的工藝和優(yōu)異的性能具有廣闊的應(yīng)用前景，包括傳統(tǒng)熱管、脈動(dòng)熱管、吸附式熱管、毛細(xì)泵熱管和環(huán)路熱管等[2-4]。然而，無(wú)論熱管的形式和結(jié)構(gòu)如何變化，一直存在傳熱距離短、極限功率小等問(wèn)題，在某些情況下熱管啟動(dòng)所需的溫度甚至超過(guò)元器件所能承受的最大溫度[5-6]。此外，在分散式多熱源的工況下，熱管已不能滿足實(shí)際需求。因此，用泵作為驅(qū)動(dòng)力的兩相傳熱系統(tǒng)成為熱控技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)。

對(duì)于用泵作為驅(qū)動(dòng)力的兩相傳熱系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)的研究工作。劉杰等[7-10]對(duì)機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的回路式傳熱系統(tǒng)的啟動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生液體過(guò)熱現(xiàn)象，啟動(dòng)溫度越低，產(chǎn)生的過(guò)熱度越大。鄭小平等[11]提出一種傳熱系統(tǒng)，利用蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪，使與渦輪相連的機(jī)械泵正常工作，通過(guò)機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)冷凝液返回到蒸發(fā)器。研究表明該系統(tǒng)的傳熱能力由蒸發(fā)段的沸騰極限決定。J.H.Ambrose等[12]研究了一種用泵驅(qū)動(dòng)的熱管冷凝板，測(cè)試結(jié)果表明該裝置不受重力的影響且適用于更高熱流密度的工況。Zhou Feng等[13]針對(duì)廢氣中能量的回收提出并設(shè)計(jì)了一種用泵來(lái)驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管，減少了空調(diào)系統(tǒng)在新鮮空氣處理時(shí)所消耗的能量。馬躍征等[14-15]研究了磁力泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻環(huán)路的啟動(dòng)特性和換熱性能隨溫差的變化規(guī)律，并搭建了一種磁力泵驅(qū)動(dòng)的兩相冷卻復(fù)合制冷裝置。馬國(guó)遠(yuǎn)等[16-17]提出了一種泵驅(qū)動(dòng)回路熱管的能量回收裝置，分析了工質(zhì)質(zhì)量流量、換熱器傳熱面積、換熱器迎面風(fēng)速以及工質(zhì)種類對(duì)換熱量、溫度效率和性能系數(shù)等參數(shù)的影響。郭振江等[18]研究了機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)分離式熱管對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的冷量回收和除濕能力的影響，結(jié)果表明，機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)分離式熱管可以顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力，降低系統(tǒng)能耗。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)用泵作為驅(qū)動(dòng)力的兩相傳熱系統(tǒng)做了較多研究，但這些系統(tǒng)尚不適用于微電子元件或芯片的冷卻，在微電子領(lǐng)域依然普遍采用風(fēng)冷、水冷以及集成熱管的冷卻方式。隨著微電子元件不斷向小型化和高功率化趨勢(shì)的發(fā)展，用泵作為驅(qū)動(dòng)力的兩相傳熱系統(tǒng)在小體積和高功率方面的要求已迫在眉睫。

本文提出利用蠕動(dòng)泵[19]驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管內(nèi)氣液相間隔的工質(zhì)以恒定的流速單向循環(huán)流動(dòng)，形成一個(gè)具有脈動(dòng)熱管效應(yīng)的新型兩相傳熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、尺寸微小、成本低廉、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于解決未來(lái)分散式高熱流密度微電子元件的散熱問(wèn)題。本文闡述了蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)的組成和工作原理，搭建該兩相傳熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了其在不同充液率和不同加熱功率下的傳熱特性。

1 新型兩相傳熱系統(tǒng)

圖1所示為蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由金屬毛細(xì)管、硅膠毛細(xì)管和蠕動(dòng)泵組成，其中硅膠毛細(xì)管與金屬毛細(xì)管之間密封連接，形成一個(gè)真空閉環(huán)回路。毛細(xì)管內(nèi)徑尺寸必須小于一個(gè)最大臨界值，由于表面張力的作用，工質(zhì)在滿足此要求的毛細(xì)管內(nèi)形成穩(wěn)定的液柱即氣塞系統(tǒng)。

最大臨界內(nèi)徑Dc的計(jì)算公式[20]：

(1)

式中：Dc為臨界內(nèi)徑，m；σ為表面張力，N/m；g為重力加速度，N/kg；ρl為工質(zhì)液相密度，kg/m3；ρv為工質(zhì)氣相密度，kg/m3。

圖1 蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)Fig.1 The heat transfer system of capillary loop driven by peristaltic pump

閉環(huán)回路的截面直徑、長(zhǎng)度、形狀和環(huán)路數(shù)等由實(shí)際使用情況確定，其中截面直徑必須滿足公式(1)的要求。金屬毛細(xì)管用于與外界換熱，硅膠毛細(xì)管嵌入在蠕動(dòng)泵之內(nèi)。蠕動(dòng)泵的電機(jī)軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)子依次循環(huán)擠壓硅膠毛細(xì)管的管壁，既能驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管內(nèi)的液態(tài)工質(zhì)流動(dòng)又能驅(qū)動(dòng)毛細(xì)管內(nèi)的氣態(tài)工質(zhì)流動(dòng)。毛細(xì)管內(nèi)工質(zhì)的流速和質(zhì)量流量可通過(guò)改變?nèi)鋭?dòng)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和硅膠毛細(xì)管的內(nèi)徑來(lái)調(diào)節(jié)。在蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)力的作用下，毛細(xì)管內(nèi)氣液相間隔的工質(zhì)不斷地單向循環(huán)流動(dòng)，工質(zhì)在加熱段吸熱升溫汽化，在冷凝段散熱降溫液化，如此反復(fù)完成熱量的傳輸。蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)具有脈動(dòng)熱管效應(yīng)，在傳熱過(guò)程中既存在相變傳熱又存在對(duì)流換熱，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高、運(yùn)行可靠且工作不受重力約束等優(yōu)點(diǎn)。

2 傳熱特性研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

圖2所示為實(shí)驗(yàn)裝置原理。實(shí)驗(yàn)中，工質(zhì)采用去離子水，在加熱端溫度為80 ℃的情況下，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到毛細(xì)管的最大內(nèi)徑尺寸為5.12 mm。因此，本文金屬毛細(xì)管選擇內(nèi)徑為3 mm、外徑為4 mm的紫銅毛細(xì)管，硅膠毛細(xì)管尺寸選擇內(nèi)徑為3 mm、外徑為5 mm。紫銅毛細(xì)管包括3部分：加熱段、絕熱段和冷凝段。在加熱段的紫銅毛細(xì)管(100 mm長(zhǎng))由加熱塊加熱，加熱塊放在絕熱的電木內(nèi)，加熱塊中間插有加熱棒，加熱棒依次與功率計(jì)和變壓器連接，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器的輸出電壓可以改變加熱棒的加熱功率。在絕熱段的紫銅毛細(xì)管(長(zhǎng)度為100 mm)由隔熱棉包裹，防止與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。在冷凝段的紫銅毛細(xì)管(長(zhǎng)度為100 mm)采用水冷塊冷卻，冷卻水的溫度恒定為25 ℃，以2 m/s的速度不斷在水冷塊和恒溫水箱之間循環(huán)流動(dòng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.2 The principle of experimental device

紫銅毛細(xì)管的壁面溫度由貼合在其表面的K型熱電偶測(cè)試，紫銅毛細(xì)管表面的熱電偶等距分布。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在25 ℃恒溫環(huán)境下進(jìn)行，加熱段、絕熱段和冷凝段置于同一水平面上。蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)的整個(gè)閉環(huán)回路處于完全密封狀態(tài)，并與真空計(jì)連接，用于檢測(cè)閉環(huán)回路內(nèi)部的真空度。實(shí)驗(yàn)開始，關(guān)閉充液閥，打開真空閥，用真空泵對(duì)回路進(jìn)行抽真空，管內(nèi)真空度達(dá)到3 Pa后，關(guān)閉真空閥，打開充液閥，灌注定量的工質(zhì)，注射器的刻度顯示灌注量。當(dāng)環(huán)路傳熱系統(tǒng)的充液率為100%時(shí)，相當(dāng)于傳統(tǒng)的水冷環(huán)路系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了工質(zhì)流速恒定為7 m/min時(shí)，不同充液率的傳熱系統(tǒng)在不同加熱功率下(60、80、100 W)的傳熱特性。工質(zhì)的循環(huán)流速通過(guò)蠕動(dòng)泵上的液晶屏顯示。

蠕動(dòng)泵流速的誤差為1%，K型熱電偶的誤差為 0.3 ℃，溫度采集系統(tǒng)的誤差為 0.05 ℃，變壓器輸出電壓的誤差為0.2%，變壓器輸出電流的誤差為0.3%。按照R.J.Moffat[21]的不確定性分析計(jì)算，加熱功率的最大誤差為2.9%，溫差的最大誤差為0.2%，熱阻的最大誤差為3.6%。由于加熱塊由絕熱電木完全包裹，絕熱段由隔熱棉包裹，故可忽略系統(tǒng)的散熱損失。

2.2 傳熱特性分析

在15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)中，T2～T6的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度代表穩(wěn)態(tài)時(shí)加熱段的壁面溫度Te，T7～T9的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度代表穩(wěn)態(tài)時(shí)絕熱段的壁面溫度Ta，T10～T14的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度代表穩(wěn)態(tài)時(shí)冷凝段的壁面溫度Tc。兩相傳熱系統(tǒng)加熱段和冷凝段之間的溫差ΔT=Te-Tc。加熱功率為Q時(shí)，兩相傳熱系統(tǒng)的熱阻R=ΔT/Q。

2.2.1 充液率對(duì)傳熱系統(tǒng)性能的影響

圖3所示為不同加熱功率時(shí)，壁面溫度隨充液率的變化。由圖3可知，在加熱功率不變時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)Tc隨充液率的變化很小，由于冷凝段是通過(guò)溫度恒定為25 ℃的冷卻水冷卻，冷卻性能較好。相比于高充液率下穩(wěn)態(tài)時(shí)加熱段的壁面溫度Te，低充液率下穩(wěn)態(tài)時(shí)Te更低。其中，充液率為20%時(shí)穩(wěn)態(tài)下Te最低，充液率為100%時(shí)穩(wěn)態(tài)下Te最高。具體表現(xiàn)為：當(dāng)加熱功率分別為60、80、100 W時(shí)，充液率為20%的傳熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)Te分別為83.53、90.77、97.25 ℃；充液率為100%的傳熱系統(tǒng)其穩(wěn)態(tài)時(shí)Te分別為96.76、115.64、128.30 ℃。

圖3 不同加熱功率時(shí)，加熱段和冷凝段壁面溫度隨充液率的變化Fig.3 The heating section and the cooling section of wall temperature change with liquid filling ratio under different heating power

圖4所示為不同加熱功率下，傳熱系統(tǒng)的溫差ΔT和熱阻R隨充液率的變化。

圖4 不同加熱功率下，傳熱溫差ΔT和傳熱熱阻R隨充液率的變化Fig.4 Temperature difference ΔT and thermal resistance R change with the liquid filling ratio under different heating power

由圖4可知，當(dāng)加熱功率不變時(shí)，在傳熱系統(tǒng)的充液率為20%時(shí)，傳熱溫差ΔT和傳熱熱阻R最小，充液率低于或高于20%時(shí)，ΔT和R均增大。當(dāng)充液率為100%時(shí)，ΔT和R最大。由此可知，相比于傳統(tǒng)的水冷傳熱系統(tǒng)，兩相傳熱系統(tǒng)的傳熱性能更好，且兩相傳熱系統(tǒng)的最佳充液率為20%。具體表現(xiàn)為：當(dāng)加熱功率為60、80、100 W時(shí)，在充液率為20%時(shí)，傳熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的R分別為0.52、0.38、0.30 ℃/W；在充液率為100%時(shí)，傳熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)熱阻R分別為0.77、0.70、0.60 ℃/W。相比于傳統(tǒng)的水冷傳熱系統(tǒng)，當(dāng)充液率為20%時(shí)，兩相傳熱系統(tǒng)在加熱功率為60、80、100 W時(shí)熱阻R分別降低了32.5%、45.7%、50.0%。

原因是蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管環(huán)路傳熱系統(tǒng)具有脈動(dòng)熱管效應(yīng)，既存在相變傳熱又存在對(duì)流換熱。低充液率時(shí)，管內(nèi)蒸氣空間大，環(huán)路傳熱系統(tǒng)以相變傳熱為主、對(duì)流換熱為輔，高充液率時(shí)反之。由于相變傳熱的效率比對(duì)流換熱的效率高，所以在低充液率時(shí)加熱段產(chǎn)生的熱量能更高效地傳遞到冷凝段，導(dǎo)致ΔT和R較低。然而，隨著充液率不斷減小，工質(zhì)攜帶的熱量有限，甚至出現(xiàn)局部燒干的現(xiàn)象，使傳熱效率降低。因此，存在一個(gè)最佳充液率使兩相傳熱系統(tǒng)的傳熱效率最高。

2.2.2 加熱功率對(duì)傳熱系統(tǒng)性能的影響

由前文可知，當(dāng)充液率為20%時(shí)傳熱系統(tǒng)的傳熱效率最高，當(dāng)充液率為100%時(shí)傳熱效率最低。圖5所示為不同加熱功率下，傳熱系統(tǒng)的充液率從20%增至100%時(shí)加熱段和冷凝段之間的傳熱溫差ΔT的增量。由圖5可知，加熱功率越大，傳熱系統(tǒng)的充液率從20%增至100%時(shí)溫差ΔT的增量越大。具體表現(xiàn)為：當(dāng)充液率從20%增至100%時(shí)，在加熱功率為60 W下，加熱段和冷凝段之間的溫差ΔT增大了15.02 ℃；在加熱功率為80 W下，加熱段和冷凝段之間的溫差ΔT增大了25.88 ℃；在加熱功率為100 W下，加熱段和冷凝段之間的溫差增大了29.36 ℃。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的傳熱性能相比，當(dāng)加熱功率越大時(shí)，該系統(tǒng)在最佳充液率下的傳熱性能優(yōu)勢(shì)越明顯。

圖5 充液率從20%增至100%時(shí)傳熱溫差ΔT增量Fig.5 Increment of the temperature difference when the liquid filling ratio increases from 20% to 100%

圖6所示為當(dāng)充液率為20%和100%時(shí)，傳熱溫差ΔT和傳熱熱阻R隨加熱功率的變化。由圖6可知，該系統(tǒng)的傳熱熱阻R隨加熱功率的增大而減小，與熱管的傳熱特性一致。當(dāng)充液率為20%時(shí)，加熱功率的增大對(duì)傳熱溫差ΔT影響不大；當(dāng)充液率為100%時(shí)，ΔT隨加熱功率的增大而增大。因?yàn)樵诘统湟郝?20%)時(shí)，隨著加熱功率的增大，潛熱所占的比例越來(lái)越大，系統(tǒng)的傳熱效率越來(lái)越高，因此加熱功率對(duì)ΔT的影響不大；在高充液率(100%)時(shí)，潛熱傳熱所占的比例較小，系統(tǒng)以顯熱傳熱為主，隨著加熱功率的增大，傳熱系統(tǒng)通過(guò)增大ΔT來(lái)提升傳熱效率。

圖6 當(dāng)充液率為20%和100%時(shí)，傳熱溫差ΔT和傳熱熱阻R隨加熱功率的變化Fig.6 When the liquid filling ratio is 20% and 100%,the temperature difference ΔT and thermal resistance R change with the different heating power

3 結(jié)論

本文利用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)真空毛細(xì)管內(nèi)氣液相間隔的工質(zhì)單向循環(huán)流動(dòng)，形成一個(gè)具有脈動(dòng)熱管效應(yīng)的新型兩相傳熱系統(tǒng)，該傳熱系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中既有相變傳熱又有對(duì)流換熱。通過(guò)蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)3 mm毛細(xì)管內(nèi)的工質(zhì)以7 m/min的速度勻速運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同充液率的傳熱系統(tǒng)在加熱功率分別為60、80、100 W時(shí)的傳熱性能，得到如下結(jié)論：

1)充液率20%為該兩相傳熱系統(tǒng)的最佳充液率，此時(shí)加熱段穩(wěn)態(tài)時(shí)的壁面溫度、傳熱溫差和傳熱熱阻均最小。

2)當(dāng)加熱功率分別為60、80、100 W時(shí)，充液率為20%的傳熱系統(tǒng)其穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱阻分別為0.52、0.38、0.30 ℃/W。

3)相比于傳統(tǒng)的水冷傳熱系統(tǒng)，充液率為20%的兩相傳熱系統(tǒng)在加熱功率為60、80、100 W時(shí)，熱阻分別降低了32.5%、45.7%、50.0%。

4)當(dāng)充液率為20%時(shí)，加熱功率對(duì)加熱段和冷凝段之間的溫差影響不大；當(dāng)充液率為100%時(shí)，加熱段和冷凝段之間的溫差隨加熱功率的增大而增大。