振蕩熱管傳熱性能及單向閥結(jié)構(gòu)的研究

王德健 宋 淳 朱思宇

沈陽(yáng)化工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 遼寧沈陽(yáng) 110142

電腦CPU是一塊大規(guī)模集成電路，熱功耗量數(shù)瓦到數(shù)百瓦不等。隨著電腦運(yùn)行速度的提升，CPU的功率越來(lái)越大，這樣在較小面積上就會(huì)聚集大量熱量。隨著電子器件功率的進(jìn)一步增大，單純地沿用傳統(tǒng)的依靠單相流體的對(duì)流換熱和強(qiáng)制風(fēng)冷等方法的散熱已不能滿足需要。因此，必須研究和開(kāi)發(fā)新的散熱手段，以適應(yīng)高功率、高熱流密度的散熱需求[1]。理論和實(shí)際應(yīng)用情況都表明，電子器件的故障發(fā)生率隨溫度的上升而呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)[2]，如果沒(méi)有主動(dòng)散熱，則CPU的溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速上升，而CPU一般只能穩(wěn)定工作在70-80度左右。因此CPU必須主動(dòng)散熱才能穩(wěn)定工作，否則就會(huì)因?yàn)楦邷囟怪靼鍩龤АＱ芯堪l(fā)現(xiàn)，電子元器件的工作溫度每升高10℃，其壽命將會(huì)降低一半左右[3、4]。

振蕩熱管是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱性能優(yōu)良的換熱元件，如圖1所示，在小型電子器件散熱領(lǐng)域，特別是高熱流密度元器件上得到了比較廣泛的應(yīng)用[5]。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)振蕩熱管的改進(jìn)型回路結(jié)構(gòu)，制作改進(jìn)型回路振蕩熱管試件，對(duì)其進(jìn)行傳熱性能的研究，分析工質(zhì)、充液率、傾斜角度、加熱功率、冷卻水流量和通道截面尺寸對(duì)振蕩熱管啟動(dòng)和傳熱的影響。

當(dāng)脈動(dòng)熱管單側(cè)加熱時(shí)，由于兩邊的熱流密度不對(duì)稱，因此考慮單向閥流向的影響，在脈動(dòng)熱管自身不能穩(wěn)定單向運(yùn)行的工況下，單向閥會(huì)促使管內(nèi)工質(zhì)形成穩(wěn)定的單向循環(huán)流動(dòng)，單向閥會(huì)改變管內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)，促使工質(zhì)單向循環(huán)流動(dòng)[6]。

圖1 閉式回路型脈動(dòng)熱管原理圖

一、模型建立

實(shí)驗(yàn)所用振蕩熱管總長(zhǎng)度為112mm，寬度為180mm，蒸發(fā)段長(zhǎng)度為50mm，絕熱段長(zhǎng)度45mm，冷凝段長(zhǎng)度85mm，彎頭處內(nèi)徑10mm的熱管模型。

本實(shí)驗(yàn)的邊界條件如下：加熱功率110W，熱流密度為52784.12瓦每平方米，熱管內(nèi)部的充液率達(dá)到60%。

圖2 （a）網(wǎng)格圖

圖2 （b）局部圖

二、單向閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

脈動(dòng)熱管內(nèi)部的工質(zhì)總是處于不穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)且隨時(shí)可能出現(xiàn)停頓、反轉(zhuǎn)和振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致其傳熱性能下降。針對(duì)管內(nèi)工質(zhì)不穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，單向閥可以促使管內(nèi)的工質(zhì)形成穩(wěn)定的單向循環(huán)流動(dòng)[6]。單向閥的種類很多，主要包括彈簧式、重力式、旋啟式和隔膜式，振蕩熱管的閉環(huán)路結(jié)構(gòu)和單向閥結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

在選擇與脈動(dòng)熱管集成的單向閥時(shí)需要考慮很多因素，其中最為重要的是氣密性、抗壓性、抗蝕性、易集成性等。因?yàn)殚]環(huán)脈動(dòng)熱管在灌注工質(zhì)之前其內(nèi)部處于真空狀態(tài)，所以單向閥對(duì)氣密性要求很高。如果單向閥存在漏氣的問(wèn)題，脈動(dòng)熱管的性能將大幅下降甚至失效。此外，脈動(dòng)熱管在運(yùn)行過(guò)程中其內(nèi)部的工質(zhì)受熱蒸發(fā)產(chǎn)生巨大的壓力，因此單向閥要具有一定的抗壓要求，其抗壓要求可依據(jù)脈動(dòng)熱管的工作溫度以及其管內(nèi)工質(zhì)在該溫度下的飽和蒸汽壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。

人體大動(dòng)脈的起始部位比如主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈的根部都有動(dòng)脈瓣的。瓣膜的功能是防止血液從動(dòng)脈到心室的反流，瓣膜的打開(kāi)和關(guān)閉是一個(gè)相對(duì)被動(dòng)的過(guò)程，瓣膜需要相對(duì)快速的開(kāi)關(guān)，而且每次關(guān)閉時(shí)，需要完全封閉。人的一生中心臟瓣膜需要承載數(shù)十億次高強(qiáng)度的往復(fù)載荷，心臟進(jìn)行非常有規(guī)律的收縮、舒張運(yùn)動(dòng)，瓣膜作為一個(gè)單向?qū)Я鏖y，起到了推動(dòng)血液系統(tǒng)不斷循環(huán)的作用[7]。在心室舒張時(shí)二尖瓣打開(kāi)，允許左心房血液流入到左心室，在收縮期瓣膜閉合，防止血液在反向壓差的作用下反流回左心房[8]。

圖3 動(dòng)脈瓣結(jié)構(gòu)圖

圖4 單葉及雙葉

雙葉瓣是兩枚半圓形瓣膜由折葉支持而開(kāi)閉的，比傾斜圓板型瓣膜進(jìn)一步增加了開(kāi)口面積。雙葉瓣的血流為平流，有效開(kāi)口面積相對(duì)更大些，單葉瓣為偏心血流，另外雙葉瓣的雜音普遍比單葉瓣要小[9]。

在此結(jié)構(gòu)上我們利用仿生學(xué)原理制造了符合熱管防回流結(jié)構(gòu)的單向閥，將葉片軸兩端加入了還原裝置，如圖5。其原理是把葉片繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的點(diǎn)當(dāng)做支點(diǎn)，手對(duì)夾子的作用力是動(dòng)力F1，從支點(diǎn)向動(dòng)力的作用線作垂線段，即可作出動(dòng)力的力臂L1，繼而在沒(méi)有水流的狀態(tài)下使雙葉瓣回到原位，如圖6所示。

圖5 單向閥結(jié)構(gòu)

圖6 還原裝置原理圖

本文對(duì)振蕩熱管的兩相流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬氣液兩相在振蕩熱管中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，著重關(guān)注振蕩熱管，得到的結(jié)果有：

（一）啟動(dòng)的初始階段，隨著加熱時(shí)間的增加，熱管底部氣柱逐漸膨脹，并帶動(dòng)兩相流產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

（二）啟動(dòng)的初始階段，隨著加熱時(shí)間的增加，底部壓強(qiáng)增大，兩相流產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)后，壓強(qiáng)逐漸降低。

（三）根據(jù)仿生學(xué)所制造的雙葉單向閥，聲音較小，且可自動(dòng)閉合，可有效避免回流現(xiàn)象。