陳 倩，莊勁武，江壯賢，武 瑾，孫逢欣

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熱管散熱器的實(shí)驗(yàn)研究及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

陳 倩，莊勁武，江壯賢，武 瑾，孫逢欣

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

為了提高真空斷路器額定載流密度，對(duì)端子處安裝了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管散熱器的銅排通流2200A，進(jìn)行了溫度分布情況實(shí)驗(yàn)研究。通過PT1000熱敏電阻探頭測(cè)得的各部分溫度分布情況，分析了在加裝熱管后的散熱效果。對(duì)熱管散熱的換熱過程進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，計(jì)算得到的溫度分布情況與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合度較高，為提高散熱性能提供了參考依據(jù)。

熱管散熱器 傳熱 熱阻 數(shù)值計(jì)算

0 引言

熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，可在截面積并不是很大的情況下遠(yuǎn)距離地傳輸更多的熱量，同時(shí)保持溫差很小，因而能替代工作中形狀復(fù)雜且笨重的散熱器件。它已成為電子元器件熱控制應(yīng)用的有效裝置，在礦井降溫、電子元件冷卻及真空熱開關(guān)等方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。

為了解決高壓大電流真空斷路器[2-3]體積大、開斷速度慢的缺陷，需要增大真空斷路器的額定載流密度，但這會(huì)帶來溫升過高的問題。為了使載流密度增大時(shí)，端子處溫度仍能滿足國軍標(biāo)要求，在端子處加入熱管散熱器來有效解決這一問題。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管，進(jìn)行了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管散熱器散熱性能的測(cè)試，并且建立了熱管散熱器的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

1 熱管散熱器的工作原理

本文所研究的是毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管散熱器，該熱管為毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管，其中的工作液體為酒精，管殼材料為銅，加上鋁材散熱鰭片形成熱管散熱器。

毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱管是一根中空的銅管，內(nèi)壁上有吸液芯結(jié)構(gòu)，中間注有工作液體，熱管自身形成一個(gè)高真空封閉系統(tǒng)，沿軸向可分為三段，即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，如圖1所示[4-6]。熱源對(duì)熱管進(jìn)行加熱，在蒸發(fā)段使內(nèi)部工作液體相變?yōu)檎魵猓魵庠竭^絕熱段后抵達(dá)冷凝段，將所攜帶熱量傳遞給冷凝段熱管內(nèi)壁，通過熱傳導(dǎo)作用再將熱量輸送到貼附于熱管外壁上的金屬散熱片中。最后，借助散熱片與周圍冷卻空氣的自然對(duì)流傳熱過程將熱量從散熱片上帶走，而釋放出汽化潛熱的蒸氣則又相變?yōu)橐后w，通過吸液芯結(jié)構(gòu)回流到蒸發(fā)段再加熱汽化，不斷循環(huán)[7-9]。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置及過程

兩端分別接有3 m長(zhǎng)大銅排，大銅排的截面積為100 mm×10 mm。實(shí)驗(yàn)過程中通以直流2200 A，待達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，將散熱器安裝在熱源銅排上，如圖3所示，熱源是尺寸為85 mm×50 mm×5 mm的銅排。散熱器與銅排間涂有導(dǎo)熱硅脂來改善導(dǎo)熱的效果。實(shí)驗(yàn)中，采用PT1000的熱敏電阻探頭進(jìn)行測(cè)量，各測(cè)量點(diǎn)示意圖如圖4。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了加入熱管前的銅排端子①、④兩處上下表面的溫度及其兩端的壓降。圖5反映的是①、④兩處上下表面的溫度，上下表面的溫差很小，可忽略，認(rèn)為上下表面溫度一致。