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不同工质沟槽式微热管传热性能实验研究

2022-05-17 来源:华涂网
机械设计与制造 128 文章编号:1001—3997(2010)08—0128—03 Machinery Design&Manufacture 第8期 2010年8月 不同工质沟槽式微热管传热性能实验研究 何中坚周宏甫 (华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640) ExperimentaI research on diferent working fluid heat transfer performance of micro- groove heat pipe HE Zhong ̄Jan,ZHOU Hong-fu (School ofMechanical and Automotive Engineering,South China University ofTechnology,Guangzhou 510640,China) i 【摘要】为了研究工质对沟槽式微热管传热性能的影响,通过试验对不同充液率下,不同工质对沟I 2槽式微热管的温差、热阻与极限功率等性能的影响进行研究。结果表明:充液率对丙酮热管的温差变化影2 ;响较大,在相同情况下,丙酮热管需要更高的充液率。乙醇热管的温差性能较差,但充液率小的乙醇热管2 5其热阻较小。水热管的极限功率最高,且在100%的充液率时,有着最为良好的传热性能,较另两种工质更《 l适合用于高功率场合。该研究对实际生产和应用中的工质选择有着重要的参考意义。 9 3 关键词:充液率;工质;传热性能;微沟槽热管 2 ; 【Abstract】/n order to research the impact ofdifferent workingfluid to heat transfer perfor,. ̄ce f;o 2 heat p e,the tempertaure,power limit and thermal resistance performance tests of micro groove heat pipe 2 3 were taken on the condition fdiofferent liquidfilling rtaios and different workingfluid.The results indicat一2 《ed:the difference in temperature ofacetone heat pipe has 0 more obvious change with the change ofliquid《 }filling rtaios,and in teh so3Tle circurnstances,it require。higher liquidfilling rtaios.Ethanol heat pipe has l 2 the poor thermalperformance in the diference in tempertaure,6 the smalllfuid-iflled ethanol one show 2 ;口smaller thermal resistncea.The power limit ftohe warer heat pipe is much higher than both ethanol and 2 5 acetone ones,nad the 100%liquidfilling ratios warer heta pipe has the best heat transfer pe】 r 饥ce,SO 5 2 it is i'nore suitablefor high-power occasions than others.The study is an importnat referencefor the work一》 2 ingfluid selection ofthe catual production nad application. 2 《 Key words:Liquid filling ratio;Working lfuid;Heat transfer performance;Micro-groove heat《 2、 』 1.  — 、 。 。 、 、 、 。 。 。 。 、 、 、 ~ 中图分类号:TH16,TK124文献标识码:A 1日l£j▲—吾 —L一 随着电子产品向“短、小、薄”的趋势发展,电子器件的集成化 2实验装置及方法 实验装置,如图1所示,由测试系统和数据采集系统组成。测 流量调节器、加热与冷却铜块和加热棒等。 程度越来越高,由此导致的高热流密度问题逐渐成为制约电子工 试系统包括俺温水槽、00铂热电阻)、计算机、数据采集模 业发展的瓶颈。依靠相变传热的微热管作为一种高效的传热元 数据采集系统包括热电阻(ptl件,已从化工、冶金 等的传统领域,扩大到常见台式电脑和笔记 块(NI CompactDAQ和USB一9217数据采集卡)等。 本电脑散热目、航天热控制 等新的应用领域。目前应用于电子元 件散热的微热管主要有烧结式、丝网式、沟槽式等。 沟槽微热管由于正常工作热阻最小 、加工工艺简单 、成本 低等的特点,得到了广泛的应用。但沟槽式微热管的传热功率较 烧结式微热管低,影响沟槽式微热管传热性能的因素很多,如沟 槽的结构、真空度、充液率、放置倾角等因素。对此,很多学者 进 行了大量有益的探索。但对研究工质对沟槽式微热管传热性能的 影响的文章却未见相关报道。 图1热管传热性能测试装置 1.恒温水槽2.流量调节器3.热电阻4.数据采集器 5.加热棒6.加热铜块7.冷却铜块8.保温块 为了研究工质对沟槽式微热管传热性能的影响,本文分别对 水、乙醇和丙酮等三种工质进行实验对比,分析它们对沟槽式微 热管传热性能的影响作用,为实际生产提供指导。 ★来稿日期:2009—10—22 根据电子元器件工作温度范围,工质与紫铜壳体吸液芯材料 第8期 何中坚等:不同工质沟槽式微热管传热性能实验研究 28 24 129 的相容性,实验中选用的工质分别为水、乙醇和丙酮。它们不仅能够 满足实验中的温度要求,也能保证蒸汽压力,避免蒸汽速度过大。 测试元件为外径+6ram,沟槽数60,槽深0.25mm,长度 200mm的梯形槽道微热管。实验中采用50%、100%、150%和 糊 20 赠 16 磐 窿 12 鼬 8 200%四种不同充液率,制成水、乙醇和丙酮热管12根。热管加热 蒸发段长度设置为50mm,冷凝段100mm,其余为绝热段。 测试过程如下: 4 O 12 16 2O 24 28 32 36 40 44 48 加热功率~ (1)调整加热棒到指定工作瓦数(开始测试瓦数为15w),冉 调整恒温水槽的工作温度至5O℃,并调节冷却水流量,使冷却铜 (a)工质为乙醇 块稳定在50℃。 (2)当测试点温度稳定时,记录此时四个测试点温度,并计算 热管的温差,利用温差公式: △ |_(To+ 1)/2一( + )/2 (1) 总热阻公式: R=AT/Q (2) 式中:r,0、 、 、 一四个测试点的温度; 一热管蒸发段与冷凝段 温差;Q—输入到热管的功率。 (3)逐步提高加热棒的功率,以5w为一梯度。 3影响热管传热性能的关键参数 影响热管传热性能的物理现象为毛细力、声速、携带、沸腾、 冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等。对本实验的沟槽热管, 毛细力、携带与沸腾起了主要作用。 其中作为热管主要驱动力的总毛细压差为lll: ap:堕 (3) 式中:6一工质的表面张力; 一热管的有效半径(本实验的沟槽 管有效半径为0.15mm),可算得60'C时水、乙醇和丙酮的毛 细压差分别为:440.5N/m 、1 28N/m 、1 24N/m 。 而热管的携带极限功率为¨I_: Q…= 号}I (4) 式中:蒸气腔的横截面积A =1.02*10 m 、 一工质汽化潜热;p 一 为:亡质蒸气密度,吸液芯水力半径rh. ̄0.1 15m。可算得60 ̄C 时水、乙醇和丙酮的携带极限分别为:1471w,797w,730w。 由式(3)和(4)可知热管的传热能力与工质表面张力、液相时 密度、汽化潜热成正比。所以本文选择了热管两端温差、总热阻、 以及极限功率随加热功率提高的变化作为研究对象,通过对这三 个易测参数的研究,分析不同工质的表面张力、液相时密度、汽化 潜热等热物理性质对微沟槽热管传热I生能的影响规律。 4实验结果及分析 4.1不同工质的充液率对温差的影响 如图2所示,当充液率小的时候,三种热管的温差小,但温差 随功率有更快的变化,容易烧干。这是由于当工质少时,容易造成 冷凝液的回流不足,使得此时的热管两端温差对加热功率产生更 敏感的变化。而且随着加热功率的升高,热管的运行温度提高,使 蒸气速度加大,高速的蒸气流会把与之反向流动的冷凝液携带 走,还会由于气体的可压缩性引起流动的不稳定,造成更大温度 梯度。 32 2 8 z藿 : 篓l2 4 12 l6 20 24 28 32 36 40 44 48 加热功率/w (b)工质为丙酮 28 鳎 赣8 4O 2U 40 6U 8U IUU l2U 加热功率/W (c)工质为水 图2不同充液率下各种工质热管的管端温差随加热功率的变化规律 不同充液率,丙酮热管的温差变化与水和乙醇相比更明显。 相比乙醇和水,随着充液率的提高,丙酮从高温差和高变化率,到 低温差和低变化率。从50%的充液率的丙酮热管曲线可看出,在 15w的加热功率下,热管已经呈现13.06 ̄C的高温差。这是因为在 低工质状态,丙酮的沸点(57℃)比乙醇的沸点(78℃)更低,使工 质蒸气流增加,导致了冷凝液回流的严重不足。这说明在相同情 况下,丙酮热管需要更高的充液率。 由图2(c)可以看出,在15w的加热功率的情况下,不同充液 率的水热管的温差都稳定在1 ,且随加热功率的提高温差的变 化率也小于其他两种工质的热管。这是因为水的汽化潜热大,以 少量的液流来传递大量热量,从而保持管内的压降小,减少在管 芯与管壳交界面上产生核沸腾的可能性,减少径向温度梯度。 4.2不同工质的充液率对热阻的影响 如图3(a)所示,在加热功率小于25w之前,充液率小的乙醇 热管表现出更小的热阻。根据Khmstalev and Faghri[1O]的微热管 的研究理论,微热管内主要的热阻为蒸气流动及蒸发段和冷凝段 的液膜的热阻。在加热功率为15w的时候,50%的充液率已经满 足传质要求,过多的工质会促使蒸发段与冷凝段的液膜加厚,导 致池状蒸发。而池状蒸发的传热能力远小于膜状蒸发,使其热阻 加大。当加热功率大于25w,蒸气流增加,蒸发段的液流减少, 50%,100%的两根管出现烧干现象,蒸发段两个测试点的平均温 度迅速提高,温差加大,热阻提高;150%,200%的热管由于充液 No.8 13O 机械设计与制造 Aug.2010 率高,只出现蒸发段的局部烧干,蒸发段的两个测试点的平均温 度有一定提高,热阻相对平稳。 0.6 0.5 04 岛 落0.3 0.2 O.1 】2 】6 2O 24 28 32 36 40 加热功率/w (a)工质为乙醇 //圉 1 日0.8 1 赣o 6 J j=={...——一 ==二===三— 12 16 20 24 28 32 36 40 加热功率 (b)_r质为 酮 0.24 ∞∞踟 ∞∞∞如加 0 22 0 2O 0 18 蛊0.16 赣0.14 0.】2 O.1O 0.08 0.06 20 40 60 80 lO0 l2U 加热功率/w (C)工质为水 图3不同充液率下不同1-质热管的热阻随加热功率的变化规律 如图3(b)所示,与乙醇相比,丙酮热管随着充液率的增加, 热阻减少,并趋于稳定。这是由于丙酮的沸点低,在低充液率的 情况下,汽化潜热小,冷凝液不足,局部出现烧干现象,所以热阻 大。 由图3(c)所示,水热管除了在低充液率时有 岛变化率外,充 液率为100%的水热管表现出了良好的热阻性能,在100w的加 热功率下热阻仍低于O.12。这是由于在水热管高表面张力导致的 高毛细力,使冷凝液的回流更快,保证了蒸发端相变的液体需求。 4.3不同工质的充液率对极限功率的影响 极限点的判断,当加热段的温差ATe=T ̄r.71J出现迅速提高的 现象,表明蒸发段烧干,此时热管失效。对于电子芯片,其表面温 度一般不能超过85%。从 程町靠性角度看,假定在电子元件表 面与传热元件之间存在1 O 温度差。 此热管蒸发段外表面温 度不得超过75℃,热管绝热段设计温度最高不超过60℃。本文定 义热管的传热极限为:当热管温差ATe>15 ̄C或加热段温差△ ≥ 2 ̄C时的加热功率为热管的极限传热功率。 如图4所示,随着充液率的提高,三种工质的热管的极限功 率都在提高。这是因为随着工质的增加,大大提高丁质携带热量 的能力。而在超过100%以后,热管有足够的工质来进行相变传 热,充液率的影响就减弱了,功率提高变缓。 点 埒 雷 星 {j 一一 j...--4 -1—1——r—1 ’—1——f—t—_ —r— —r—T— r ’—1—— —1——一 40 60 8O lOO】2O 140】6O l8O 2oo 220 充液率% 图4不同工质热管的充液率对极限功率的影响 从极限功率的数值上可以看出,水的极限功率远远高于乙 醇和丙喇这两种jI质,这说明了在工作温度为(50—8O)℃的情 况,水的高汽化潜热使其更高效地携带热量,在高毛细力的驱动 下,大大提高其极限功率,使其较其他两种工质更适合用于高功 率场合。 5结论 本文通过对水、乙醇、丙酮j种不同工质的200mm长的沟槽 式微热管进行 能测试与分析,如下结论: (1)当充液率较低时,容易造成冷凝液的回流不足,使得热管 两端温差对加热功率产生更敏感的变化。加热功率对丙酮热管的 温差影响最为明 ,冈此,在相同情况下,需要更高的充液率。而 乙醇热管的温差性能较差。 (2)充液率小的乙醇热管表现出更小的热阻。丙酮热管随着 充液率的增加,热阻在减少,并趋于稳定。水热管则在100%的充 液率有着最低热阻。 (3)i种不同]:质热管的极限功率都随着充液率的提高而提 高,水热管[大J水的高汽化潜热特性而表现得更加突出。在工作温 度为50~8O℃的情况,水热管的极限功率明显高于其他两种热 管,它更适合在高功率场合使用。 参考文献 1序骏,张红.热管技术及其丁程应用.北京:化学工业出版社,2000 2 McGlen R J,Jachuck R,Lin S.Integrated thermal management techniques if)r high power electronk',devices[Jf.Applied Themlal Engineering, 2004。24(8 ):1143~1156 3 Basiulis A,Hummel T A.The applications of heat pipe techniques to dec- troniccomponentcooling ̄C].ASMEWinterAnnualMeeting,NewYork,1972 4 Peeples M E and Calhoun I D.Fabrication and comparative performance of three variable conductance heat pipe concepts[C].ASME Paper,1977 5 Shaubach RM and Gernerl N J.High performance lfexible heat pipe[Cj.A- IAA 20th Thermophysics Conference,Williamsburg,1985 6 Tang ,Chi Y.,Chen j.c.,Deng X.X.,Liu L,Liu X.K,Wan ZP.Experimental study 0f oj l—矗ll l high-speed spin forming micrcr-groove ifn-inside tubes[J]. 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