劉昌泉，尚煒，趙舉貴，紀(jì)獻(xiàn)兵，吳新明，徐進(jìn)良

（華北電力大學(xué)低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

納米修飾吸液芯超薄平板熱管的傳熱特性

劉昌泉，尚煒，趙舉貴，紀(jì)獻(xiàn)兵，吳新明，徐進(jìn)良

（華北電力大學(xué)低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

研制了一種總厚度為1.30 mm的新型超薄平板熱管（UTFHP），其內(nèi)部吸液芯是多孔介質(zhì)底層（PL）和多孔介質(zhì)絲（PW）組成的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)。經(jīng)過化學(xué)改性處理，吸液芯表面生成納米結(jié)構(gòu)，具有超親水特性。對(duì)熱管的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析納米結(jié)構(gòu)、充液比以及角度對(duì)熱性能的影響。結(jié)果表明，充液比為25%時(shí)，與未改性的熱管相比，改性熱管的臨界熱通量（CHF）提高了255%、總熱阻最大可降低43.2%；納米結(jié)構(gòu)降低了冷凝段熱阻，但在小功率時(shí)增大了蒸發(fā)段熱阻。在高充液比時(shí)，納米結(jié)構(gòu)抑制熱管的傳熱性能。角度對(duì)熱管的熱性能影響較大，當(dāng)蒸發(fā)段位于冷凝段的正下方時(shí)，熱管的熱性能最佳。未改性和改性的熱管都具有良好的傳熱特性，最高功率分別為83.7和44.3 W。

超薄平板熱管；多尺度；多孔介質(zhì)；納米結(jié)構(gòu)；熱性能；相平衡；充液比；傾角

引 言

近年來，電子器件朝著微型化、集成化、高性能方向快速發(fā)展[1-2]，熱通量越來越高，其性能受到散熱能力的制約[3-4]，高熱通量電子器件的散熱問題已成為當(dāng)今行業(yè)密切關(guān)注的問題[5]。微熱管作為一種高效的相變傳熱裝置，具有體積小、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電子器件的冷卻散熱[6]。受到尺寸的限制，電子器件中所應(yīng)用的微熱管必須既輕薄又具有較好的熱性能，這促使了熱管朝著超薄化發(fā)展。

吸液芯結(jié)構(gòu)是決定熱管性能的重要參數(shù)，目前，熱管中常用的吸液芯結(jié)構(gòu)有溝槽型[7-9]、燒結(jié)型[10-12]以及復(fù)合型[13-15]。Cao等[7]在 2 mm 厚的熱管內(nèi)部上下銅板面，加工出微米級(jí)的矩形溝槽作為冷凝液體回流的通道，水平放置時(shí)熱管的最大熱通量為20.6 W·cm-2。Li等[12]在銅管的中心部位燒結(jié)銅粉，并將其壓扁制成超薄熱管，研究了壓扁厚度、多孔介質(zhì)層的厚度、銅粉粒徑等對(duì)熱性能的影響，熱管的最大功率為25 W，總熱阻范圍為0.02～0.60 K·W-1。Li等[15]研制了一種燒結(jié)有復(fù)合型吸液芯的平板熱管，分析其傾斜角度和冷卻水溫度對(duì)熱管性能的影響，在水平角度下，最小熱阻為 0.196 K·W-1。

Wang等[16]最先研制出以銅絲作為吸液芯的熱管，并對(duì)其進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，研究了銅絲直徑、銅絲中心距等對(duì)熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)銅絲直徑越大熱性能越好，最佳銅絲中心距約為銅絲直徑的2.5倍。林振玄等[17]以水和乙醇為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，研究了銅絲平板熱管的銅絲直徑、中心距、工質(zhì)以及蒸汽溫度對(duì)蒸發(fā)段和冷凝段傳熱特性的影響。Paiva等[18]進(jìn)一步優(yōu)化了銅絲平板熱管的加工過程，并在微重力條件下測(cè)試熱管的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)銅絲平板熱管具有良好的反重力性能。

上述文獻(xiàn)中吸液芯的尺度較為單一，熱管正常運(yùn)行時(shí)存在諸多矛盾，限制了熱管的傳熱性能[19]。構(gòu)造多尺度的吸液芯是合理分配熱管內(nèi)部汽-液相分布、提高熱管性能的有效方法。然而，將多尺度吸液芯甚至納米修飾多尺度吸液芯應(yīng)用于總厚度小于2.0 mm的超薄熱管的研究相對(duì)較少。本研究對(duì)傳統(tǒng)的銅絲平板熱管進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，構(gòu)造出新型的多尺度復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)，并用化學(xué)方法對(duì)吸液芯表面進(jìn)行納米尺度修飾。重點(diǎn)研究了吸液芯表面納米結(jié)構(gòu)、充液比以及角度對(duì)超薄熱管的傳熱特性影響，以期提供一種新型的超薄平板熱管，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 超薄熱管及多尺度吸液芯構(gòu)造

1.1 超薄平板熱管結(jié)構(gòu)

圖1 超薄平板熱管樣品圖及其特征尺寸Fig.1 Sample and characteristic dimension of ultra-thin flat heat pipe

圖1為超薄平板熱管的樣品實(shí)物圖和橫截面圖，其長(zhǎng)度、寬度和總厚度分別為200、30和1.30 mm，熱管外殼是壁厚為0.20 mm的T2紫銅片，在外殼內(nèi)部下壁面燒結(jié)有一層長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為192、27和0.20 mm的多孔介質(zhì)底層（PL），多孔介質(zhì)底層和外殼內(nèi)部上壁面之間布置有 18根平行排列的多孔介質(zhì)絲（PW），多孔介質(zhì)絲與下部的多孔介質(zhì)底層燒結(jié)在一起，并且與管殼內(nèi)部上壁面零切角接觸。多孔介質(zhì)絲由直徑為0.50 mm的紫銅絲和在銅絲外圓周面燒結(jié)的一層0.10 mm厚的多孔介質(zhì)層組成，長(zhǎng)度為 192 mm，其兩端與多孔介質(zhì)底層的兩端平齊。相鄰多孔介質(zhì)絲的中心距為1.50 mm，約為多孔介質(zhì)絲外徑的2.14倍，與文獻(xiàn)[20-21]中最佳銅絲中心距相近。吸液芯中的多孔介質(zhì)由平均粒徑dm=82.8 μm的銅球顆粒燒結(jié)而成。多孔介質(zhì)絲之間的空間作為蒸汽流通的通道，多孔介質(zhì)絲與管殼內(nèi)部上壁面、多孔介質(zhì)底層之間形成的尖角區(qū)和多孔介質(zhì)材料為冷凝液體提供回流的驅(qū)動(dòng)力，這種設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)汽-液相分離，降低汽-液界面高速對(duì)流產(chǎn)生的界面摩擦力，減少蒸汽流動(dòng)阻力，提高熱管的熱性能[22]。測(cè)試了兩種樣品：1#樣品的吸液芯未經(jīng)過改性處理，屬于親水結(jié)構(gòu)；2#樣品的吸液芯經(jīng)過化學(xué)處理，其表面長(zhǎng)有納米結(jié)構(gòu)，具有超親水性能。

1.2 多尺度吸液芯構(gòu)造

圖2為多尺度吸液芯的掃描電鏡（SEM）圖，其中，圖2(a)、(b)分別為1#樣品多孔介質(zhì)底層和多孔介質(zhì)絲的 SEM 圖，吸液芯表面無納米結(jié)構(gòu)；圖2(c)、(d)分別為 2#樣品多孔介質(zhì)底層和多孔介質(zhì)絲的SEM圖，吸液芯表面長(zhǎng)有片狀的納米粗糙結(jié)構(gòu)。由圖2可知，1#樣品的吸液芯具有3種尺度：直徑約為0.21dm[23]的小孔，寬為dm、長(zhǎng)度大于dm的孔道以及毫米級(jí)的多孔介質(zhì)絲。2#樣品的吸液芯除了具有上述3種尺度外，還包括納米級(jí)的片狀結(jié)構(gòu)。多尺度和納米修飾多尺度吸液芯能夠很好地匹配熱管內(nèi)部汽-液相分布，合理耦合內(nèi)部各項(xiàng)機(jī)能，提高熱管的傳熱性能[19]。

圖2 吸液芯掃描電鏡圖Fig.2 SEM pictures of porous layer and porous wire

2#樣品的吸液芯，經(jīng)過化學(xué)的方法進(jìn)行超親水改性處理，具體步驟如下：首先，配制2.5 mol·L-1氫氧化鉀（KOH）和 0.065 mol·L-1過硫酸鉀（K2S2O8）混合溶液；然后，將上述混合溶液加熱到70℃，把燒結(jié)有吸液芯的半成品浸入到混合溶液中，待反應(yīng)30 min后，取出半成品；用大量的去離子水沖洗反應(yīng)后的半成品，并將其放入真空干燥箱中，在180℃的溫度下烘干30 min[24]。此后，吸液芯表面生成片狀的納米結(jié)構(gòu)，如圖2(c)、(d)所示，這個(gè)過程的化學(xué)反應(yīng)方程式[25]為

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)段（超薄熱管）、供電系統(tǒng)、加熱部件、熱沉、風(fēng)扇以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)段分為3部分：蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，其軸向長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)e=30 mm、La=100 mm和Lc=70 mm。在蒸發(fā)段的下部，貼有蛇形薄膜加熱片，其規(guī)格為45 V、14 Ω，有效加熱面積為1.1 cm2，最大加熱功率為200 W，加熱片與熱管外壁面之間涂有高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱硅酯。薄膜加熱片由供電系統(tǒng)供電，供電系統(tǒng)包括穩(wěn)壓器、調(diào)壓器和功率計(jì)。冷凝段部分，在熱管上壁面放置一個(gè)長(zhǎng)寬高為70 mm×30 mm×27 mm鋁制熱沉，熱沉與熱管之間涂有高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱硅酯。在熱沉的上方，安裝有一個(gè)小型直流風(fēng)扇，用于冷卻熱沉。為了減少漏熱，蒸發(fā)段和絕熱段用絕熱材料包裹。整個(gè)實(shí)驗(yàn)段被放置在專門的旋轉(zhuǎn)支架上，來調(diào)整實(shí)驗(yàn)角度θ，精度為 0.5°。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 System diagram of experimental apparatus

在熱管外部的上表面焊接20根T形熱電偶線，熱電偶焊接點(diǎn)的位置如圖4所示，其中，蒸發(fā)段有4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（Te,c，T1～T3），絕熱段有 8 個(gè)（T4～T11），冷凝段有8個(gè)（T12～T19）。Te,c用于測(cè)量蒸發(fā)段中心點(diǎn)溫度。在熱沉的基部規(guī)定位置打出直徑為2.0 mm的孔，便于熱電偶線從中穿過。熱電偶線與Hewlett-Packard數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，將數(shù)據(jù)傳遞到電腦中進(jìn)行記錄與處理。在實(shí)際應(yīng)用中，部分電子芯片的最高溫度不能超過85℃[5]，而本文所用加熱芯片的最高承受溫度為80℃，為了保護(hù)加熱芯片并根據(jù)實(shí)際需求，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)Te,c達(dá)到80℃后，停止實(shí)驗(yàn)。當(dāng)溫度值在5 min內(nèi)波動(dòng)小于0.2℃時(shí)，即認(rèn)為傳熱達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)[26]，此時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本文中熱管的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為去離子水，充液比φ為25%、30%、35%和40%，測(cè)試的角度θ分別為0°（水平放置）、90°（蒸發(fā)段位于冷凝段的正下方）和-90°（蒸發(fā)段位于冷凝段的正上方），采用風(fēng)冷的方式，環(huán)境溫度設(shè)置為26℃±0.5℃。

圖4 測(cè)溫點(diǎn)布置Fig.4 Location of thermocouples

3 數(shù)據(jù)處理和不確定度分析

包裹在熱管蒸發(fā)段和絕熱段外的絕熱材料具有良好的保溫效果，本文測(cè)試的最高功率為 83.7 W（1#樣品在φ=35%、θ=90°時(shí)的最大功率），在最高輸入功率下測(cè)試保溫層內(nèi)外壁的溫度，根據(jù)導(dǎo)熱定律計(jì)算出最大熱損失為0.068 W，僅為最高輸入功率的 0.08%。因此，熱量損失可以忽略不計(jì)，功率計(jì)顯示的功率Q，即可認(rèn)為是真實(shí)的輸入功率。

熱管的總熱阻Rtotal為

式中，Te,c為蒸發(fā)段的中心點(diǎn)溫度；Tc,ave為冷凝段的平均溫度，即

熱管的蒸發(fā)段熱阻Re為

式中，Tv為蒸汽溫度，蒸汽溫度由絕熱段的平均溫度Ta,ave代替，即

熱管的冷凝段熱阻Rc為

熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率Keff為

式中，Leff為熱管的等效長(zhǎng)度，即Leff=Le/2+La+Lc/2；As為熱管的橫截面積，As=3.9×10-5m2。

根據(jù)誤差傳播定律[27]，計(jì)算出上述各個(gè)參數(shù)的誤差值。T形熱電偶測(cè)溫的誤差為0.2 K，實(shí)驗(yàn)中最低溫度為環(huán)境溫度，即為26℃，則溫度Ti的不確定度為 0.77%；根據(jù)儀表的銘牌參數(shù)得到電流和電壓的不確定度分別為0.1%、0.1%；由測(cè)量誤差引起的尺寸的不確定度為 1.11%。綜上，各個(gè)參數(shù)的不確定度如下：總熱阻Rtotal的不確定度為2.32%，蒸發(fā)段熱阻Re的不確定度為2.32%，冷凝段熱阻Rc的不確定度為 3.09%，當(dāng)量熱導(dǎo)率Keff的不確定度為3.39%。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 納米結(jié)構(gòu)對(duì)熱性能的影響

圖5 納米結(jié)構(gòu)對(duì)總熱阻的影響Fig.5 Influence of nanostructures on total thermal resistance

圖5為充液比φ=25%、傾角θ=0°時(shí)，納米結(jié)構(gòu)對(duì)總熱阻的影響。1#樣品的吸液芯未經(jīng)過改性處理，CHF對(duì)應(yīng)的最大功率為8.0 W，最小總熱阻為0.44 K·W-1；2#樣品的吸液芯經(jīng)過化學(xué)改性處理后，其表面長(zhǎng)有納米結(jié)構(gòu)，CHF對(duì)應(yīng)的最大功率和最小總熱阻分別為28.4 W和0.25 K·W-1。在此工況下，納米結(jié)構(gòu)使熱管的CHF提高了255%、總熱阻最大可降低43.2%。

納米結(jié)構(gòu)增大了吸液芯的表面積，增大了表面粗糙度，使原本親水的吸液芯表面更加親水，浸潤(rùn)性增強(qiáng)，原因可通過Wenzel模型[28]來解釋

式中，αw為粗糙表面的真實(shí)接觸角；α為光滑表面的接觸角；r為固體表面的粗糙度且大于1。吸液芯中銅球顆粒本身是親水的，其表面接觸角約為62°。納米結(jié)構(gòu)增大了粗糙度r，根據(jù)式(9)，吸液芯表面的真實(shí)接觸角αw將會(huì)降低，實(shí)驗(yàn)測(cè)得改性后的紫銅表面接觸角接近0°，具有較強(qiáng)的浸潤(rùn)性。

多孔介質(zhì)中液體吸入的毛細(xì)壓差公式為[29]

式中，σ為液體的表面張力；de為多孔材料的有效孔徑。納米結(jié)構(gòu)不僅降低了吸液芯表面的接觸角αw，而且減小了多孔介質(zhì)的有效孔徑de，根據(jù)式(10)得出，納米結(jié)構(gòu)增大了毛細(xì)壓差。

為了驗(yàn)證上述分析，進(jìn)行吸液芯吸水實(shí)驗(yàn)，將1.40 μl的液滴分別滴到未改性和改性后的多孔介質(zhì)底層中，測(cè)試納米結(jié)構(gòu)對(duì)吸液芯吸水能力的影響。結(jié)果表明，在水平角度下，未改性和改性后的多孔介質(zhì)底層吸水時(shí)間分別為12.25、8.75 ms，納米修飾吸液芯具有更強(qiáng)的吸水能力。

綜上所述，納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了吸液芯的浸潤(rùn)性、增大了毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)了冷凝液體的回流，推遲“燒干”現(xiàn)象的產(chǎn)生，故φ=25%時(shí)，2#樣品的傳熱特性優(yōu)于1#樣品。

4.2 熱阻分析

實(shí)驗(yàn)段中的絕熱段有高質(zhì)量的保溫材料包裹，熱損失可以忽略，故絕熱段的熱阻可以忽略不計(jì)。從圖5可以看出，當(dāng)Q＜10 W時(shí)，兩種樣品的總熱阻相差不大，而Q＞10 W后，1#樣品的總熱阻明顯大于2#樣品，上述現(xiàn)象是蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱特性共同決定的。

圖6為充液比φ=25%、傾角θ=0°時(shí)，蒸發(fā)段熱阻和冷凝段熱阻隨功率的變化趨勢(shì)。從圖 6(a)可以看出，當(dāng)Q＜10 W時(shí)，2#樣品的蒸發(fā)段熱阻大于1#樣品，兩者的蒸發(fā)段熱阻隨著功率的增大不斷下降；當(dāng)Q＞10 W后，1#樣品出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，蒸發(fā)段熱阻急劇增大，而2#樣品的蒸發(fā)段熱阻繼續(xù)下降，一直到28.4 W后才出現(xiàn)突增。從圖6(b)得出，2#樣品的冷凝段熱阻在整個(gè)加熱功率范圍內(nèi)總是低于1#樣品。

圖6 蒸發(fā)段熱阻和冷凝段熱阻隨功率的變化Fig.6 Variation of thermal resistance with heating power of evaporator and condenser

在特定功率下，如圖7所示，當(dāng)Q為4 W或8 W時(shí)，1#樣品的蒸發(fā)段熱阻低于2#樣品，但冷凝段熱阻卻大于2#樣品，此時(shí)兩者的總熱阻相差不大。

圖7 特定功率下蒸發(fā)段和冷凝段熱阻的比較Fig.7 Compare of evaporator and condenser thermal resistance at specific heating power

當(dāng)Q為12 W或者16 W時(shí)，1#樣品的蒸發(fā)段熱阻急劇增大，而2#樣品蒸發(fā)段和冷凝段熱阻依然較小，所以此時(shí)1#樣品的總熱阻大于2#樣品。

上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，與蒸發(fā)段和冷凝段的相分布特性有關(guān)。在蒸發(fā)段的相變區(qū)域，蒸汽逸出和液體的吸入是同時(shí)發(fā)生的，如圖2所示，多孔介質(zhì)的大孔道負(fù)責(zé)蒸汽逸出，小孔負(fù)責(zé)液體吸入。蒸汽逸出的質(zhì)量流量公式為[30]

式中，ρv、μv分別為蒸汽的密度和黏性系數(shù)；ε為多孔材料的孔隙率；δ為蒸汽逸出所經(jīng)過的多孔材料的厚度。由前所述，納米結(jié)構(gòu)縮小了有效孔徑de，根據(jù)式(11)可知，納米材料降低了蒸發(fā)段蒸汽逸出的質(zhì)量流量。對(duì)于液體吸入而言，減小有效孔徑de雖然可以增大毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，但同樣會(huì)增大液體流動(dòng)的黏性阻力，尤其是在液體充足的情況下，黏性阻力將起到更大作用，阻礙液體流動(dòng)[31]。因此，在小功率時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的存在不利于蒸汽的逸出和液體的流動(dòng)，蒸發(fā)段熱阻偏大。在冷凝段，蒸汽凝結(jié)機(jī)理為膜狀凝結(jié)，冷凝液膜的厚度將決定冷凝段熱阻的大小。根據(jù)前面理論分析，并結(jié)合吸液芯吸水實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果，納米修飾吸液芯吸水能力更強(qiáng)，更快地吸收冷凝面上形成的冷凝液體，故2#樣品的冷凝液膜更薄，冷凝段熱阻低于1#樣品。蒸發(fā)段和冷凝段的相分布特性，相互作用，共同影響著熱管的整體性能。

4.3 充液比對(duì)熱性能的影響

圖8 充液比對(duì)蒸發(fā)段熱阻的影響Fig.8 Effect of filling ratio on evaporator thermal resistance

圖8為傾角θ=90°時(shí)，在不同充液比下1#和2#樣品的蒸發(fā)段熱阻Re隨功率的變化。對(duì)于1#樣品，充液比為25%時(shí)，CHF最小、Re最大，傳熱效果最差；充液比為35%時(shí)，在整個(gè)加熱功率范圍內(nèi)，未出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，CHF達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的最大功率為83.7 W，Re最小值為0.0708 K·W-1；充液比為40%時(shí)，Re未出現(xiàn)突增，但其最小值高于充液比為35%時(shí)的蒸發(fā)段熱阻，故1#樣品的最佳充液比為35%。對(duì)于2#樣品，充液比為25%和30%對(duì)應(yīng)的Re最小值幾乎相同，并且在所測(cè)的4種充液比中最低，但充液比為30%時(shí)CHF相對(duì)較大，故認(rèn)為30%為2#樣品的最佳充液比，對(duì)應(yīng)的CHF和Re最小值分別為44.3 W和0.1650 K·W-1。

從圖8中可以得出，對(duì)于25%和30%的充液比，功率較小時(shí)，1#樣品的Re低于2#樣品，隨著功率的增大，1#樣品的Re首先出現(xiàn)突增，Re將大于2#樣品，原因如4.2節(jié)中所述。當(dāng)充液比較大時(shí)，例如充液比為 35%和 40%，此時(shí)熱管中液體充足，根據(jù)式(11)，納米結(jié)構(gòu)抑制了蒸汽的逸出，并且較大的黏性阻力阻礙冷凝液體回流到蒸發(fā)段，促使2#樣品首先達(dá)到CHF，故充液比為35%和40%時(shí)，1#樣品的CHF相對(duì)較大，并且蒸發(fā)段熱阻Re在整個(gè)加熱功率范圍內(nèi)總是低于2#樣品。

4.4 角度對(duì)熱性能的影響

圖9給出了 1#和 2#樣品在充液比φ為 25%、30%、35%和40%時(shí)，角度對(duì)最高當(dāng)量熱導(dǎo)率Keff,max的影響。如圖 9所示，1#樣品的Keff,max數(shù)值介于5142～23288 W·m-1·K-1，2#樣品的Keff,max數(shù)值介于6420～16472 W·m-1·K-1，并且在任意一個(gè)特定的充液比下，傾角θ=90°時(shí)1#和2#樣品的Keff,max最大，θ=0°次之，而θ=-90°最低，原因可以通過Bond數(shù)Bo[32]來解釋

式中，ρl、ρv分別為液體和蒸汽的密度；g為重力加速度；Dh為水力當(dāng)量直徑。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，θ=0°時(shí)，Dh為熱管內(nèi)壁厚度，即Dh=0.9 mm，此時(shí)Bo=0.11；而θ=90°或-90°時(shí)，Dh為熱管的軸向長(zhǎng)度，即Dh=200 mm，此時(shí)Bo=5431。所以，θ=0°時(shí)，液體的表面張力起主要作用，重力的影響較小，而θ=90°或-90°時(shí)，重力的影響非常大。θ=90°時(shí)，冷凝液體回流除了靠吸液芯本身的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力外，重力也促進(jìn)了冷凝液體的回流，利于沸騰換熱，故θ=90°時(shí)Keff,max最高，傳熱效果最好；而θ=-90°時(shí)，冷凝液體回流除了克服多孔介質(zhì)中的阻力外，還要克服重力的作用，重力對(duì)液體的回流起反作用，所以θ=-90°時(shí)熱管的蒸發(fā)段容易蒸干，此時(shí)熱管的Keff,max最低，傳熱效果最差。

純銅在 20℃時(shí)的熱導(dǎo)率為398 W·m-1·K-1，1#和 2#樣品的最高當(dāng)量熱導(dǎo)率Keff,max分別是純銅的12.9～58.5倍和16.1～41.4倍，優(yōu)勢(shì)明顯；文獻(xiàn)[33]中，銅絲直徑為0.813 mm的銅絲平板熱管的Keff,max僅有 2000 W·m-1·K-1，本文中 1#和 2#樣品的Keff,max分別是它的2.6～11.6倍和3.2～8.2倍。由此可見，本文設(shè)計(jì)的樣品傳熱性能良好，尤其在最佳充液比、傾角為90°時(shí)，傳熱效果最佳。

圖9 角度對(duì)當(dāng)量熱導(dǎo)率的影響Fig.9 Effect of inclination angles on effective thermal conductivity

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種新型的多尺度復(fù)合吸液芯超薄平板熱管，并用化學(xué)方法對(duì)吸液芯進(jìn)行納米尺度修飾，重點(diǎn)研究了納米結(jié)構(gòu)、充液比以及角度對(duì)熱管傳熱性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)的新型超薄平熱管具有良好的傳熱效果，1#和 2#樣品的最高功率分別為 83.7 W 和44.3 W。

（2）納米結(jié)構(gòu)促進(jìn)吸液芯的浸潤(rùn)性和毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，但在液體充足時(shí)，限制了蒸汽逸出流量并且增大了液體流動(dòng)阻力。

（3）小充液比時(shí)，在小功率下，改性熱管的蒸發(fā)段熱阻較大，冷凝段熱阻較小，納米結(jié)構(gòu)推遲了CHF。大充液比時(shí)，納米結(jié)構(gòu)抑制了熱管的傳熱性能。

（4）角度對(duì)熱管的傳熱性能影響較大。傾角θ=90°時(shí)，熱管的熱性能最佳；θ=-90°時(shí)，熱管的熱性能最差。

符 號(hào) 說 明

As——熱管的橫截面積，m2

Bo——Bond數(shù)

Dh——水力當(dāng)量直徑，m

de——多孔介質(zhì)有效孔徑，m

dm——多孔介質(zhì)平均粒徑，m

g——重力加速度，m·s-2

Keff,max——最高當(dāng)量熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

La——熱管的絕熱段軸向長(zhǎng)度，m

Lc——熱管的冷凝段軸向長(zhǎng)度，m

Le——熱管的蒸發(fā)段軸向長(zhǎng)度，m

Leff——熱管的有效長(zhǎng)度，m

m——蒸發(fā)段蒸氣逸出質(zhì)量流量，kg·s-1

Δpc——毛細(xì)壓頭，Pa

Q——功率，W

Rc——冷凝段熱阻，K·W-1

Re——蒸發(fā)段熱阻，K·W-1

Rtotal——總熱阻，K·W-1

r——多孔介質(zhì)表面粗糙度

Tc,ave——冷凝段平均溫度，℃

Te,c——蒸發(fā)段中心點(diǎn)溫度，℃

Ti——不同測(cè)溫點(diǎn)溫度，i=1,2,…,19，℃

α——光滑表面接觸角，（°）

αw——真實(shí)表面接觸角，（°）

δ——多孔介質(zhì)厚度，m

ε——孔隙率

θ——傾角，（°）

μv——蒸汽的動(dòng)力黏度，N·s·m-2

ρl——液體密度，kg·m-3

ρv——蒸汽密度，kg·m-3

σ——液體表面張力，N·m-1

φ——充液比

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date:2017-05-18.

Prof.XU Jinliang,xjl@ncepu.edu.cn

supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China (51436004) and the National Natural Science Foundation of China (51676071).

Heat transfer characteristics of ultra-thin flat heat pipe with nano-modified porous wick

LIU Changquan,SHANG Wei,ZHAO Jugui,JI Xianbing,WU Xinming,XU Jinliang
(Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer,North China Electric Power University,Beijing102206,China)

A new type ultra-thin flat heat pipe (UTFHP) with a total thickness of 1.30 mm was prepared by using multiscale composite structures composed of porous layer (PL) and porous wire (PW) as wicks.After chemical modification treatment,the nanostructures modified the surface of the wick,which had super-hydrophilic properties.The thermal performance of UTFHP was investigated with deionized water used as the working fluid.The effects of the nanostructures,filling ratios and inclination angles on thermal properties of UTFHP were analyzed at different heating powers.The results show that the nanostructures can greatly increase the critical heat flux (CHF) and reduce the total thermal resistance of UTFHP when the filling ratio is 25%.Compared with the sample without nano,the CHF is increased by 255% and the minimum total thermal resistance is reduced by 43.2% at the horizontal angle.In addition,when the filling ratio is low,the nanostructures can reduce the thermal resistance of condensation in the entire heating power range but increase the thermal resistance of the evaporator because of greater flow resistance at low heating power.But the nanostructures inhibit the heat transfer performance of UTFHP when the filling ratio is relatively high.The inclination angles effectively influence the heat transfer characteristics.When the evaporation section is located directly below the condensation section,the thermal performance of UTFHP is optimal.The unmodified and modified heat pipes both have great heat transfer performance,the maximum heating power is 83.7 and 44.3 W respectively.

ultra-thin flat heat pipe; multiscale; porous media; nanostructure; thermal property; phase equilibria;filling ratio; inclination angle

TK 172.4；TK 124

A

0438—1157（2017）12—4508—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20170638

2017-05-18收到初稿，2017-06-26收到修改稿。

聯(lián)系人：徐進(jìn)良。

劉昌泉（1990—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51436004）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51676071）。