陳陽陽，裴圣旺2，陳曉光3，譚建宇

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)新能源學院，山東 威海 264209; 2.北京航天自動控制研究所，北京 100039；3.河北宇天材料科技有限公司，河北 保定 072550)

電子元件在運行過程中對溫度十分敏感，電子元件溫度在70～80℃水平上每增加1℃，安全可靠性就會下降5%，電子設(shè)備失效有55%是因為缺乏有效的溫控措施導致的[1]。目前，電路的集成度越來越高，導致電子元件體積越來越小，熱流密度不斷增大，依靠傳統(tǒng)風冷散熱的方式不能滿足現(xiàn)代電子元件的散熱需求。

脈動熱管是一種新型熱管，它由若干毛細管組成并在管中充灌一定體積的液體工質(zhì)，利用施加在其上的熱能產(chǎn)生管內(nèi)液塞和氣泡的脈動流動進行傳熱。它與傳統(tǒng)熱管不同，脈動熱管無需消耗外部機械功和電功，結(jié)構(gòu)比較簡單，內(nèi)部彎管形狀可以任意彎曲；對其結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化后，脈動熱管運行性能基本不受重力作用的影響。因此它能在逆重力場、微重力場及重力場變化等復雜環(huán)境下運行[2]。

脈動熱管的內(nèi)部運動是一個不穩(wěn)定的傳熱傳質(zhì)過程，受工質(zhì)種類、管道內(nèi)徑、充液率、橫截面形狀以及彎頭數(shù)等因素影響，國內(nèi)外學者對此進行了大量的實驗研究。Mahalle等人[3]在工質(zhì)對脈動熱管傳熱性能影響時發(fā)現(xiàn)，丙酮脈動熱管傳熱性能較好，而混合工質(zhì)和純工質(zhì)對熱管性能無明顯影響。Wang等人[4]選取甲醇、乙醇、丙酮、水和不同兩種物質(zhì)混合物作為工質(zhì)進行了脈動熱管的實驗研究，發(fā)現(xiàn)加熱功率會影響熱阻的大小，且對于單一工質(zhì)的脈動熱管，水、乙醇、甲醇和丙酮作為工質(zhì)時熱阻逐漸減小。Li等[5]研究了納米流體和水脈動熱管的性能，發(fā)現(xiàn)納米流體熱管更容易形成氣泡，熱負荷范圍較大。而Ji等[6]發(fā)現(xiàn)圓柱形納米流體脈動熱管的傳熱性能最優(yōu)。有研究表明[7-8]，一般脈動熱管的充液率范圍在20%～80%，且存在最佳充液率，它取決于脈動熱管的工質(zhì)類型、加熱位置、加熱功率、結(jié)構(gòu)尺寸及傾角等因素。Charoensawan等[9]發(fā)現(xiàn)脈動熱管的彎頭數(shù)存在一個臨界值，且與熱管內(nèi)徑、工質(zhì)種類及熱功率有關(guān)，而Maydanik等[10]發(fā)現(xiàn)當脈動熱管的水力直徑為0.5～3 mm時彎頭數(shù)應(yīng)大于10。曹小林等[11]發(fā)現(xiàn)在條件都一樣的情況下，截面為矩形的脈動熱管傳熱性能要優(yōu)于正方形。Liu等[12]發(fā)現(xiàn)了交替改變通道水力直徑的脈動熱管傳熱性能要比普通熱管好。

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文以小型高熱流密度熱源散熱為模型，針對橫截面為圓形和矩形脈動熱管傳熱性能的實驗研究，分析討論不同截面形狀的脈動熱管在水平、豎直及變負荷工況下對熱管性能的影響。

1 實驗設(shè)計

本文研究的脈動熱管采用6063型鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部工質(zhì)為丙酮，一般在工程應(yīng)用中，最佳充液率取管內(nèi)總體積的50%～55%，本文脈動熱管的充液率選50%。根據(jù)脈動熱管外觀形狀及尺寸本文選取彎頭數(shù)為76。為了對比脈動熱管不同截面形狀對傳熱性能的影響，本文設(shè)計了截面形狀為圓形和矩形兩種脈動熱管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。脈動熱管槽道當量直徑與Bond數(shù)有關(guān)，一般情況下，Bond數(shù)取2時得到脈動熱管的最大水力直徑，Bond數(shù)取0.7時脈動熱管存在最小水力直徑，水力直徑計算公式[13]如下

(1)

式中σ——表面張力/N·m-1；

g——重力加速度/m·s-2；

ρl——液體密度/kg·m-3；

ρv——氣體密度/kg·m-3。

本文設(shè)計圓形脈動熱管當量直徑為2 mm，矩形脈動熱管截面尺寸為2 mm×1.8 mm。

在加熱系統(tǒng)中，采用尺寸為40 mm×40 mm×2 mm和20 mm×20 mm×1.7 mm的陶瓷加熱片作為熱源，用導熱硅脂把加熱片粘合在脈動熱管熱源位置，分別記為Q1和Q2，測試功率Q1和Q2總和為20 W。在動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，脈動熱管表面的溫度采集采用T型熱電偶，其精度為±0.1℃。熱電偶和熱源的布置如圖2所示，熱電偶1號布置在熱源Q1的附近，熱電偶2號布置在熱源Q2的附近，它們用來記錄熱源附近的溫度，熱電偶3和4號布置在脈動熱管表面最遠處。熱源功率由直流電源提供，實驗的溫度數(shù)據(jù)由SH-X多路測溫儀進行采集，如圖3所示。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 水平放置工況

為了對比矩形和圓形脈動熱管的傳熱性能，將矩形和圓形脈動熱管同時水平放在實驗桌上，加熱功率Q1和Q2總和為20 W，該工況記為標準工況，利用溫度巡檢儀記錄溫度數(shù)據(jù)。脈動熱管表面最大溫差計算公式如下所示

ΔT=max{T1,T2}-min{T3,T4}

(2)

2.2 變負荷工況

對于實際情況來說，芯片可能會出現(xiàn)低功率負荷和高功率負荷的工作狀態(tài)，低功率負荷對于脈動熱管來說可能會出現(xiàn)未啟動的問題，而高功率負荷可能會出現(xiàn)芯片超溫的情況。所以在標準工況的基礎(chǔ)上，對脈動熱管進行標準工況的50%和75%的低負荷溫度測試以及標準工況的125%和150%的高負荷測試。

將矩形和圓形脈動熱管水平放在實驗桌上，加熱功率總和分別為10 W，15 W，25 W，30 W，利用溫度巡檢儀記錄溫度數(shù)據(jù)。

從表1的溫差數(shù)據(jù)及圖7和圖8擬合的表面最大溫差曲線可以得到：在不同功率負荷條件下，矩形脈動熱管表面最大溫差始終小于圓形脈動熱管；當負荷從10 W增至30 W時，矩形和圓形脈動熱管的表面最大溫差逐漸增大；在10 W、15 W和20 W的加熱條件下，矩形和圓形脈動熱管表面溫差在200 s后趨于平緩但仍呈現(xiàn)上升趨勢，在高負荷25 W和30 W條件下，矩形脈動熱管表面溫差在200 s后穩(wěn)定在固定數(shù)值，而圓形脈動熱管表面最大溫差呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。當加熱功率較低時，脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)在單位時間內(nèi)吸熱較少，工質(zhì)發(fā)生相變的時間較長，導致蒸發(fā)區(qū)和冷凝區(qū)之間的驅(qū)動力較小，所以在低功率條件下表面溫差不能迅速穩(wěn)定反而呈現(xiàn)緩慢上升趨勢；當加熱功率較高時，內(nèi)部工質(zhì)在短時間內(nèi)吸收大量熱，相變時間較快，能使脈動熱管內(nèi)部迅速運行起來并維持穩(wěn)定。

表1穩(wěn)定后不同功率下的表面最大溫差數(shù)據(jù)

截面形狀10 W15 W20 W25 W30 W矩形/℃3.14.15.96.27.1圓形/℃4.66.58.79.711

2.3 豎直放置工況

以標準工況為基準，將脈動熱管豎直放置，分析不同擺放位置對脈動熱管傳熱性能的影響。將矩形和圓形脈動熱管豎直放在實驗桌上，如圖9所示，測溫點位置與水平工況一致，加熱功率總和為20 W。

3 結(jié)論

本文測試了丙酮作為工質(zhì)，截面形狀為矩形和圓形脈動熱管在自然對流環(huán)境水平，豎直及變負荷工況下的傳熱性能，為脈動熱管的設(shè)計和選用提供了依據(jù)。主要結(jié)論如下：

(1)在水平20 W的標準工況條件下，矩形脈動熱管的傳熱性能優(yōu)于圓形管，工況穩(wěn)定后矩形管表面最大溫差比圓形管低3℃；

(2)變負荷的工況測試中，矩形管的傳熱性能同樣優(yōu)于圓形管，在高功率區(qū)對比效果較為明顯。隨著功率負荷的增加，兩種脈動熱管表面溫度和表面最大溫差逐步增加，脈動熱管能快速啟動并維持穩(wěn)定；

(3)豎直工況相比于水平工況，兩種脈動熱管的傳熱性能增強，表面最高溫度及最大溫差均降低，其中圓形脈動熱管降低的效果較為明顯，最大溫差比水平工況降低了2℃。