熱源位置對熱管內工質流態與傳熱性能的影響機制研究

宋吉

（國際銅業協會（中國），上海 200021）

0 引言

電子設備的小型化發展趨勢使得電子設備元器件總是安裝在受限空間中[1-2]。電子元器件的發熱量都需要及時散出，以避免電子設備因溫度升高而壽命減少甚至燒毀[3]。對受限空間電子熱源的散熱，需要均溫性好且散熱能力強的散熱方式。

熱管依靠內部制冷劑的循環蒸發和冷凝對發熱元件進行散熱，有均溫性強和等效導熱系數大、散熱能力強的特點。熱管在電子散熱[4-7]、空調[8-10]、電站發電[11-13]和核能利用[14]等工業領域已有廣泛的應用。將熱源布置在熱管蒸發段表面，可以有效帶走熱源熱量，是受限空間電子熱源散熱的一種有效方式[15-16]。

熱管安裝在電子設備內部的受限空間中，熱源與熱管蒸發段的貼合位置受限，若貼合位置不合適導致熱管性能急劇下降和熱源燒毀。電子設備工作功率的改變導致的熱流密度變化會導致熱管內流體流型變化，若熱流過大會導致流動干涸熱管傳熱性能下降，同樣導致熱源燒毀。因而，熱源位置變化和熱源熱流變化是影響熱管性能的兩個關鍵因素，現有對熱管性能的研究也分為這兩個方面。

熱源位置變化對熱管傳熱性能影響的研究包括實驗和模型研究。實驗研究表明改變熱源位置可以明顯提高熱管傳熱效果[17]；模型研究中包括了二維的多熱源熱管傳熱模型[18]和三維的多熱源熱管數值模型[19]。現有熱源位置分布的影響研究未能得到熱管內部流動狀態的變化，不能反映多熱源影響下熱管的局部傳熱特性。

熱源熱流分布變化對熱管傳熱性能影響的研究包括：1）對熱管最大傳熱量的影響，如錢文瑛[20]通過建立二維模型和實驗研究了熱管最大傳熱量與熱源位置的定量關系；2）對熱管啟動特性的影響，如魯得浦[21]通過實驗研究了能夠對多熱源進行散熱的帶有平板蒸發器的環形熱管的啟動特性；現有熱流分布的影響研究對于熱管傳熱性能的評估仍是采用熱阻的形式，蒸發段的溫度仍采用多熱源溫度的平均值，不能反映多熱源與熱管接觸處的熱管局部傳熱特性。

現有研究不能反映熱源位置、熱流耦合影響下的熱管傳熱性能變化，原因為：1）現有研究對熱管性能的評價主要是采用熱阻的方式，不能夠反映熱管內工質的局部傳熱流動特性；2）現有研究只針對單個因素的影響進行研究，沒有反映出熱源位置、熱流耦合影響下熱管傳熱性能的變化。本文通過可視化實驗探究熱源位置因素和熱流因素影響下熱管性能的變化規律。

1 實驗設計

1.1 實驗目的與思路

本文研究了熱源位置、熱流對熱管傳熱性能及管內流動狀態的影響規律。熱管傳熱性能的好壞可以通過熱源的溫度進行評價。為實現熱管管內流動狀態的觀測，采用可視化實驗手段制作半金屬半透明的熱管可視化樣件，并拍攝熱管管內制冷劑的流動狀態；為實現熱源位置和熱流的調節，設計熱源位置調控裝置，能夠實現熱源在熱管蒸發段上的位置任意調節和熱源熱流密度調節裝置，熱流調節范圍能夠覆蓋實際電子設備的熱流密度變化范圍。

1.2 實驗裝置

圖1所示為測量分布式熱源影響下熱管傳熱性能變化的可視化實驗裝置。整個實驗裝置包括3部分：1）熱源位置和熱流調節模塊，用于調節多個熱源在熱管蒸發段上的位置，及熱源的熱流密度；2）冷卻模塊，用于為熱管冷凝段提供冷量，模擬實際環境的冷源；3）可視化測試段，用于在實驗中觀測熱管管內流動狀態的變化。

圖1 可視化實驗裝置

熱源位置和熱流調節模塊由功率調節器、功率計、加熱塊位置調節桿和熱源裝置組成。功率調節器和功率計分別用于調節每個熱源的加熱功率，以實現熱流密度的調控，熱源的熱流密度可以實現0～50 W/cm2的任意調節，可涵蓋實際電子設備的熱流密度變化范圍；加熱塊位置調節桿用于實現各個熱源裝置的位置調節；熱源裝置由壓緊螺栓、電加熱棒、加熱鋁塊和熱電偶測點組成，將電加熱嵌入鋁塊中并用導熱硅脂填充，鋁塊的底面為1 cm2的熱源加熱面，側面全部用保溫棉包裹，以減少漏熱，通過壓緊螺栓可以實現熱源與熱管蒸發段的緊密接觸，以減少接觸熱阻，在加熱裝置的底部布置熱電偶測點，以測量熱源與蒸發段接觸位置的溫度。

可視化測試段由熱管可視化樣件、光源和攝像儀組成，如圖2所示。熱管可視化樣件又由熱管流道、密封墊片、透明玻璃和封裝組裝而成，熱管流道是在銅質基板上加工出8 mm的半圓柱槽道（8 mm是電子設備散熱中最常用的熱管管徑）；封裝上開有三部分的長條孔，用于觀測熱管樣件蒸發段、絕熱段和冷凝段的制冷劑流動狀態；通過在槽道基板和封裝之間布置密封墊片和透明玻璃并用螺栓擠壓的方式實現樣件的密封。熱管可視化樣件會進行保溫以減少漏熱。

圖2 實驗測試段

冷卻模塊由恒溫水槽、水冷頭和水泵組成。恒溫水槽可實現5～90 ℃的溫度調節，覆蓋電子設備所處環境溫度的變化范圍；水冷頭通過導熱硅脂與熱管冷凝段直接接觸，為熱管冷凝段提供冷量；水冷用于實現恒溫水槽和水冷頭之間的冷水循環。

用于測量熱源溫度和熱管可視化樣件溫度的熱電偶測量誤差是0.2 ℃，用于調節熱源熱流密度的功率計測量誤差是0.5%。考慮到分布式熱源對熱管的影響主要受熱源位置和熱管的影響，而受管內制冷劑的影響較小，本文為方便制冷劑充注及減少泄漏，熱管可視化樣件中采用的是常壓制冷劑R141b，充注方式為先將制冷劑充滿熱管樣件，然后加熱樣件并打開閥門使管內制冷劑蒸發，最后當制冷劑減少至設定充注量時關閉閥門，完成充注。

1.3 實驗工況

熱管的傳熱性能受熱源位置與熱流影響，為研究上述因素影響，本實驗的工況包括單個熱源不同的位置和熱流密度下熱管傳熱性能的研究。實驗工況包括加熱位置和加熱熱流密度，加熱位置包括蒸發段上部、蒸發段中部、蒸發段下部；加熱熱流密度分別為10、20和30 W/cm2。

2 實驗結果

2.1 蒸發段下部加熱流型和性能實驗結果

單個熱源位置在蒸發段底部時熱流度變化對熱管管內流動狀態的影響如表1所示，其中流動狀態用字母代替，A為環狀流，B為液膜發展，C為彈狀流，D為氣泡初始點，E為氣泡增長，拍攝圖像時間為0～0.15 s。

表1 熱源在蒸發段下部時熱管內工質流型

由表1可知，當熱流密度比較小時，熱管蒸發段氣泡的成核點比熱源位置高，氣泡生成后緩慢生長，逐漸變成彈狀流，到絕熱段時氣泡聚集形成環狀流，到冷凝段時氣泡沖破液位，并不斷被冷凝形成冷凝液沿管壁流下使液位逐漸升高。當熱源熱流密度增加時，蒸發段氣泡的成核點下移與熱源位置一致，氣泡快速生長，并快速由彈狀流轉變成環狀流，環狀流經過絕熱段后進入冷凝段，并不斷被冷卻，由環狀流轉變成彈狀流，氣泡逐漸變小并消失在冷凝液中。當熱源熱流密度繼續增加時，由成核點變成成核區域，氣泡劇烈產生并生長，直接形成環狀流，環狀流過絕熱段后進入冷凝段，并在冷凝段中不斷被冷卻。因此熱源位置在下時，隨著熱流密度的增加，熱管蒸發段的成核點下移至與熱源位置一致，管內氣泡的生成與生長的速度逐漸加快。

2.2 蒸發段中部加熱流型和性能實驗結果

單個熱源位置在蒸發段中部時熱流變化對熱管管內流動狀態的影響如表2所示，其中流動狀態用字母代替，A為環狀流，B為液膜發展，C為彈狀流，D為氣泡初始點，E為氣泡增長，拍攝圖像的時間為0～0.15 s。由表2可知，隨著熱流密度的增加，管內流動狀態的變化與熱源在底部時比較相似，不同的是，蒸發段中的成核點在熱流密度小的時候是在熱源位置的下方，隨著熱流密度的增加向上移動與熱源位置一致；熱流密度增大使得蒸發段的制冷劑先形成泡狀流，再轉變成環狀流。

表2 熱源在蒸發段中部時熱管內工質流型

2.3 熱源位于蒸發段上部時熱管內工質流型和傳熱性能的實驗結果

單個熱源位置在蒸發器上部時熱流密度變化對熱管管內流動狀態的影響如表3所示，其中流動狀態用字母代替，A為環狀流，B為液膜發展，C為彈狀流，D為氣泡初始點，E為氣泡增長，F為氣泡縮小，拍攝圖像的時間為0～0.15 s。由表3可知，熱源位置在上部時，熱管蒸發段會間歇產生氣泡，熱流密度小時，氣泡是彈狀流，熱流密度逐漸增大時，氣泡先轉變成環狀流，后轉變成泡狀流；熱管絕熱段在熱流密度小時形成穩定的環狀流，當熱流密度增大時，環狀流擾動變大，熱流密度繼續增加時會先形成泡狀流再轉變成環狀流。因此，熱源位置在上時，蒸發段管壁上存在的易產生汽化核心的結構會先形成成核點，并在熱流密度小時成為主要的成核區域，而當熱流變大時，熱源位置處管壁過熱度增大，熱管位置處會形成成核區域，并逐漸成為主成核區域。

表3 熱源在蒸發段上部時熱管內工質流型

熱源溫度如表4所示。以熱源處于蒸發器中部為例，隨著熱流密度的增大，熱源溫度從39.6 ℃增大到45.5 ℃。以熱流密度為20 W/cm2為例，隨著熱源位置從熱源上部變動到熱源下部，熱源溫度從33.8 ℃增大到51.4 ℃。

表4 單熱源的位置和熱流密度變化對熱源溫度的影響

3 結論

本文搭建了單熱管流動可視化測試實驗臺，并對單個熱源布置于熱管不同位置時熱管內工質流型與傳熱性能進行了實驗研究，得出如下結論：

1）隨著熱源熱流密度增加，熱管中的工質流型由氣泡緩慢增長和消失的彈狀流流動發展為氣泡劇烈發生的斷續環狀流流動；

2）熱源位置布置在蒸發段上部會使熱管內蒸發冷凝的長度變短、流動阻力變小、傳熱性能增加，從而使得熱源布置于蒸發段上部時的溫度比熱源布置于蒸發段中部和下部時的溫度均要低；

3）單熱源布置在熱管蒸發段時應當盡量將熱源布置在蒸發段上部，布置在上部能夠最多降低16.2 ℃，最少降低14.5 ℃。