熱管當(dāng)量熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)研究

項(xiàng)祖康，夏耀廣，陳慷華

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

0 前言

近年來，隨著微∕納電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元件表現(xiàn)出朝著大功率，高集成，小體積的發(fā)展趨勢，這也導(dǎo)致電子元件功率密度的急劇增大，對散熱能力提出了更高的要求[1-2]。熱管作為一種高效的傳熱元件，它所呈現(xiàn)出來的優(yōu)勢使其在電子元件散熱領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，它對于提高系統(tǒng)的散熱能力、減小電子元件散熱系統(tǒng)的體積和重量、提高設(shè)備抗惡劣環(huán)境的能力等都有著積極的作用[3-7]。由于電子元件設(shè)備時常處于變工況狀態(tài)，傳統(tǒng)上認(rèn)為普通熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱率不變的處理方法在實(shí)際的變熱負(fù)荷應(yīng)用中可能會導(dǎo)致大的溫度偏差，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

基于以上問題，本文探索一種變熱負(fù)荷的情況下熱管當(dāng)量熱導(dǎo)率的測試方法，分析熱管熱導(dǎo)率隨功率增加的變化規(guī)律，并擬合它的當(dāng)量熱導(dǎo)率函數(shù)表達(dá)式，為熱管冷卻系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)及其在電子元件設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本文將熱管熱阻獨(dú)立以建立數(shù)學(xué)模型來研究，視熱管為一維導(dǎo)熱體，采用經(jīng)典的傅立葉導(dǎo)熱定律來解決問題。假設(shè)熱量完全由熱管以導(dǎo)熱的形式傳遞到熱沉，用熱管的有效長度Leff來代替導(dǎo)熱體厚度δ，用熱管蒸發(fā)段和冷凝段外表面溫度代替熱管的橫截面上的平均溫度[8]。根據(jù)實(shí)際電子元件的發(fā)熱功率對熱管賦予不同的熱負(fù)荷，得到相應(yīng)熱負(fù)荷下的當(dāng)量熱導(dǎo)率λi，將各熱負(fù)荷工況下得到的λi繪成曲線，就得到了它的變化規(guī)律，公式推導(dǎo)如下：

其中：

λi——當(dāng)量熱導(dǎo)率，（W∕m·℃）；

A——熱管橫截面積，m2;

Qi——發(fā)熱功率，W；

Tei——熱管蒸發(fā)段溫度，℃；

Tci——熱管冷凝段溫度，℃。

本實(shí)驗(yàn)采用的熱管為哈爾濱晨怡熱管廠DH32-004型熱管，如圖1所示。采用T型熱電偶和數(shù)據(jù)采集器作為測溫設(shè)備，在熱管熱源至熱沉沿途均勻分布；以發(fā)熱電阻絲模擬電子元器件作為熱源，通過滑動電阻控制發(fā)熱功率；熱沉處采用風(fēng)扇強(qiáng)迫對流散熱。

圖1 熱管實(shí)物圖Figure1 Thephysical map of theheat pipe

2 實(shí)驗(yàn)過程

將各實(shí)驗(yàn)組件正確連接，固定發(fā)熱元件和熱管鋁板，并用導(dǎo)熱硅膠促進(jìn)其導(dǎo)熱。在熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分別布置3個T型熱電偶，用數(shù)字標(biāo)簽對每個熱電偶進(jìn)行標(biāo)注。對ADAM溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行程序調(diào)試，正確設(shè)定各個參數(shù)，如冷端補(bǔ)償、采樣頻率等。安裝風(fēng)道，使風(fēng)道只對準(zhǔn)熱沉，避免其對絕熱段和蒸發(fā)段產(chǎn)生影響。利用萬能表對直流電源電壓進(jìn)行檢查，觀察是否為24 V。調(diào)節(jié)滑動變阻器，觀察電流的可控范圍，計(jì)算發(fā)熱功率的可調(diào)范圍，確定是否能控制在10～60 W的范圍。整個裝置如圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Figure2 Experimental setup

實(shí)驗(yàn)平臺搭建完畢后，實(shí)驗(yàn)將按照如下步驟進(jìn)行：

（1）測量熱管直徑和長度，用于最后的熱導(dǎo)率的計(jì)算；

（2）測試在沒有風(fēng)冷卻熱沉的情況下，不同發(fā)熱功率時熱管蒸發(fā)段和冷凝端溫度，并記錄；

（3）測試風(fēng)速風(fēng)量，確定建立高風(fēng)速的冷卻熱沉環(huán)境；

（4）測試在高風(fēng)速冷卻熱沉的情況下，不同發(fā)熱功率時熱管蒸發(fā)段和冷凝端溫度，記錄數(shù)據(jù)并繪制圖像。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理

將不同發(fā)熱功率時熱管蒸發(fā)段和冷凝段在高風(fēng)速冷卻熱沉、環(huán)境溫度為27.6℃的工況下測得的數(shù)據(jù)放在Origin中處理可得到圖3。圖3顯示隨著加熱功率的不斷增大，熱源、蒸發(fā)段、冷凝段溫度不斷增大，但蒸發(fā)段和冷凝段的溫度增長速率并不相同，以致兩者的差值不斷增大。根據(jù)傳熱學(xué)原理，在熱負(fù)荷不斷增大的條件下，普通熱管兩端的溫差會相應(yīng)增大，以此來增大傳熱量。假設(shè)這是標(biāo)準(zhǔn)的平壁導(dǎo)熱體，那么熱阻是不變的，在熱負(fù)荷增大的情況下，導(dǎo)熱元件只能依靠增大溫差來增強(qiáng)傳熱。

圖3 熱源、蒸發(fā)段、冷凝段溫度隨功率的變化規(guī)律Figure3 The varying law of the temperature of heat source part，evaporating part and condensating part alongwith thepower

由圖4可見，溫差隨著功率的增大而不斷增大。但圖4同時顯示，溫差并沒有隨著功率的增加而呈線性的增加，而是隨著功率的變大，溫差增加變緩。這說明當(dāng)量熱導(dǎo)率是變化的。在其他條件不變的情況下，由于溫差的增加變緩可以得出一個結(jié)論，即熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率是隨著發(fā)熱元件發(fā)熱功率的增大而增大的。

圖4 溫差隨功率的變化Figure4 Changesof the differencein temperaturealongwith thepower

由圖5可見，熱管在發(fā)熱元件低發(fā)熱功率工況下當(dāng)量熱導(dǎo)率的變化較小，而當(dāng)發(fā)熱功率加到35 W后當(dāng)量熱導(dǎo)率增長加快，且在40 W之后基本呈線性增長。由圖6所示，將熱負(fù)荷的變化分作兩部分：在大于35 W且小于正常工作熱負(fù)荷下，當(dāng)量熱導(dǎo)率變化加快，且近似呈線性增長。用Origin數(shù)圖處理軟件來進(jìn)行線性擬合，如圖7所示。

圖5 熱導(dǎo)率隨功率的變化規(guī)律Figure5 Thechangesof heat conductivity alongwith thepower

圖6 分段比較熱導(dǎo)率的變化Figure6 Sectional comparison of thechangeof thermal conductivity

圖7 高熱負(fù)荷工況熱導(dǎo)率的線性擬合Figure7 Linear fitting of thermal conductivity under high heat load conditions

根據(jù)處理結(jié)果，可以得到在較高工況下的當(dāng)量熱導(dǎo)率變化關(guān)系式：

它可以用于當(dāng)量熱導(dǎo)率的近似估計(jì)，也可用于特定試驗(yàn)的參考數(shù)值，如熱管仿真研究中當(dāng)量熱導(dǎo)率的參數(shù)設(shè)置。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率在變熱負(fù)荷的情況下是變化的，具體來說是隨著發(fā)熱元件發(fā)熱功率的增加而變大；同時與冷凝端的熱沉設(shè)計(jì)和冷卻方式有關(guān)，冷卻效果好則當(dāng)量熱導(dǎo)率變化小。而傳統(tǒng)理論在一般研究和基本應(yīng)用中認(rèn)為熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率不變，這對于散熱要求很高的電子元件的熱設(shè)計(jì)將會造成較大的溫度偏差。

4 總結(jié)

本文采用實(shí)驗(yàn)的方法對熱管當(dāng)量熱導(dǎo)率進(jìn)行了研究，為熱管在電子元件散熱的實(shí)際應(yīng)用提供了參考，具體結(jié)論如下：

（1）熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率會隨著電子元件熱負(fù)荷的增大而增大，并且冷凝段的冷卻效果會顯著影響熱管當(dāng)量導(dǎo)熱率，因此提高熱管的冷卻效果能改善熱管工作的穩(wěn)定性；

（2）建立了熱管當(dāng)量熱導(dǎo)率隨電子器件熱負(fù)荷的依變關(guān)系，方便將熱管的散熱能力作為單一參數(shù)用于系統(tǒng)仿真；

（3）將熱負(fù)荷、冷卻強(qiáng)度與熱管的當(dāng)量熱導(dǎo)率建立雙參數(shù)的函數(shù)關(guān)系將是后續(xù)研究工作。