新型液線毛細芯環路熱管啟動及傳熱性能

張藎文， 張 泉， 杜 晟

(湖南大學土木工程學院， 長沙 410082)

隨著電子集成技術的不斷發展，電子設備的微型化和集成化已成為當今的主流趨勢，隨之出現的是電子設備熱流密度過大，局部熱點及散熱困難等問題，如何在有限的空間內高效散熱成為新的難題[1]。然而，傳統風扇散熱體積大，效率低；浸沉式液冷散熱成本高，系統復雜，維護困難,均不適合大范圍推廣[2]。環路熱管(loop heat pipe，LHP)作為一種被動式的兩相傳熱設備，利用工質的蒸發冷凝相變來傳輸熱量，具有體積小，傳熱效率高，運行安全穩定等優點，是解決電子芯片散熱問題的優良方案[3-4]。

傳統環路熱管由蒸發器(含儲液室)，冷凝器，汽線和液線構成。作為環路熱管最核心的部件，蒸發器是工質吸熱蒸發的位置，其內部多孔毛細芯的毛細力和毛細芯兩端形成的壓差為工質循環提供動力。目前，為進一步提高環路熱管的散熱能力和運行的穩定性，學者們進行了大量的研究。張國棟等[5]將吸液芯與蒸發器底板分離形成蒸發腔，工質僅在蒸發腔內蒸發可以有效增大氣相壓頭驅動工質循環；楊臥龍等[6]利用雙孔毛細芯替代傳統的機械加工蒸汽槽道，強化了毛細芯處蒸發和沸騰換熱，并縮短了熱量向毛細芯的傳遞距離；Wu等[7]通過對不同槽道數的圓柱形毛細芯的性能測試，得到槽道數為14時熱性能最優，相比于槽道數為8時熱性能提高約60%。此外，一些特殊結構的環路熱管也被設計并測試。Xie等[8]設計制造了一種雙儲液室環路熱管以減輕不同方向加速度時，蒸發器與儲液室相對位置對熱管性能的影響；Tang等[9]設計制造了一種反重力環路熱管，其液線填充有燒結銅粉，直接連接蒸發器毛細芯和冷凝器腔室，以防止熱管在反重力方向工作時蒸發器毛細芯燒干。

現設計一種無儲液室，液線內填充有毛細芯的新型環路熱管。該結構設計，一方面有效減小了蒸發器的體積，另一方面增大蒸發器和液線間的熱阻；通過實驗測試該新型環路熱管在水平狀態下的啟動和傳熱性能，并與相同條件下傳統平板式環路熱管的性能對比分析，最后針對該新型環路熱管的變工況及重力輔助條件下的運行性能進行測試分析。

1 實驗系統

液線毛細芯環路熱管和傳統環路熱管材質為銅，毛細芯均采用銅粉燒結而成，蒸發器對比如圖1所示，上方為傳統環路熱管蒸發器，下方為液線毛細芯環路熱管蒸發器。兩種環路熱管的結構如圖2所示，除液線毛細芯和儲液室結構不同外，其余參數相近，具體參數如表1所示。工質均為無水乙醇，充液前真空度為2×10-2Pa。

表1 兩種熱管主要設計參數

圖1 兩種熱管的蒸發器實物圖(1∶2)Fig.1 Photographs of the evaporators for two LHPs (1∶2)

兩種系統的測溫點布置如圖2所示，具體位置如表2所示。測試過程中，模擬熱源為40 mm(長)×40 mm(寬)×30 mm(高)的加熱銅塊，使用設定溫度為20 ℃的恒溫水浴作為熱沉，在環路熱管各部件處設置精度為0.1 ℃的K型熱電偶以測量溫度，采用Agilent 34970A數據采集模塊每5 s采集一組數據，每組實驗在180 s時開始加熱。

表2 兩種熱管測溫點位置

圖2 兩種熱管結構及熱電偶位置Fig.2 Schematics of LHPs and thermocouples positions

將環路熱管穩定運行的時間定義為啟動時間，穩定運行后蒸發器底部中心溫度定義為運行溫度，運行溫度100 ℃時達到實驗溫度上限，停止加熱，系統未能成功啟動。同時，熱管溫控性能的優劣通常用熱阻表示，一般熱阻越小其溫控性能越好，將熱阻R定義為[10]

(1)

式(1)中：Teva為蒸發器底板中心溫度；Tcond為冷凝器進出口平均溫度；Q為所加熱負荷。

2 實驗結果及分析

在實驗開始之前，在水平狀態下對新型液線毛細芯環路熱管和傳統環路熱管進行了充液率實驗，在10～150 W的負荷范圍內，測得最佳充液率分別是：液線毛細芯環路熱管為25%，傳統環路熱管為45%，取此組充液率進行實驗。

2.1 水平狀態啟動、傳熱性能及對比

2.1.1 高/低負荷下啟動性能及對比

啟動性能包括了啟動時間、運行溫度和穩定性等方面，會受到熱沉溫度、蒸發器結構、充液率等多種因素影響[11]。測試了水平狀態下液線毛細芯環路熱管和傳統環路熱管在10～150 W熱負荷時的啟動性能，每隔20 W進行一組測試。

水平狀態下熱負荷10 W和30 W時兩種熱管的啟動性能曲線如圖3所示。液線毛細芯環路熱管10 W時的啟動過程如圖3(a)所示，在480 s時冷凝器進口溫度T4開始升高，但在升至最高的過程中出現一小幅下降階段，這是由于氣線初始有液體集聚，低負荷啟動時蒸汽壓頭過小使得氣液分界面位于氣線，隨著分界面不斷向冷凝器推移，冷凝器內原有的過冷工質被推移至液線毛細芯進口處并使液線毛細芯進口溫度T6也出現一個下降階段，隨著蒸汽壓頭不斷變大，氣液分界面進入冷凝器，蒸汽進入冷凝器冷凝，冷凝器進口溫度再次升高，在1 500 s時運行溫度趨于穩定，系統成功啟動，穩定運行溫度為46.8 ℃。液線毛細芯環路熱管30 W時的啟動過程如圖3(c)所示，啟動時間為740 s，運行溫度為51.2 ℃。傳統環路熱管在10 W和30 W時的啟動過程分別如圖3(b)、圖3(d)所示，均發生了不同周期和幅度的溫度振蕩。10 W啟動時的溫度振蕩幅度較大，周期較長，這是由于低負荷啟動時蒸汽產生速率小，蒸汽需要不斷積累，蒸汽壓頭逐漸變大后使得工質進入冷凝器冷凝并回流至蒸發器，一次啟動后蒸汽腔內蒸汽需要重新積累，冷凝器進口溫度重新下降，啟動時間為2 000 s，運行溫度為47.5 ℃。30 W啟動時的溫度振蕩幅度較小，周期較短，這是因為儲液室內為氣液共存的飽和狀態，隨著過冷液的回流，氣態工質迅速冷凝，導致儲液室內的兩相狀態極不穩定，系統溫度發生振蕩，啟動時間為550 s，運行溫度為50.6 ℃。Zhang等[12]和Wang等[13]的實驗中也出現了這兩類溫度振蕩。

Ti為液線毛細芯熱管測溫點溫度; T′i為傳統熱管測溫點溫度(i=1,2,…,9)圖3 低負荷時兩種熱管啟動性能曲線Fig.3 Temperature curves of the two LHPs during the startup process at low heat loads

從以上水平狀態下低負荷啟動性能對比可知，在低負荷時兩者運行溫度相近，但液線毛細芯環路熱管運行更穩定。液線毛細芯環路熱管由于沒有儲液室，液線毛細芯進口處離蒸發器較遠，熱阻較大，導致蒸發器向液線毛細芯進口處漏熱較少，液線毛細芯進口處溫度較低，且處于過冷狀態，有效解決了傳統環路熱管在漏熱影響下，加熱時儲液室內工質氣化，達到氣液共存的飽和狀態以及難以與蒸汽腔形成足夠的壓差以供工質循環的缺陷。

熱源在高負荷運行時，過大的熱流密度對熱管的散熱能力有更高的要求。實驗結果表明：液線毛細芯環路熱管成功啟動負荷上限為130 W，傳統環路熱管成功啟動負荷上限為150 W。

水平狀態下熱負荷130 W時兩種熱管的啟動過程如圖4所示。液線毛細芯環路熱管在240 s時冷凝器進口溫度開始升高，冷卻后的工質回流導致液線毛細芯進口溫度下降。與傳統環路熱管的啟動性能曲線對比，傳統環路熱管運行溫度更低，但液線毛細芯環路熱管啟動時間更短，約為傳統環路熱管啟動時間的1/2。另外，穩定運行時液線毛細芯進口溫度T6約為29 ℃，而傳統環路熱管的儲液室溫度T′7達到71 ℃。

Ti為液線毛細芯熱管測溫點溫度; T′i為傳統熱管測溫點溫度(i=1,2,…,9)圖4 130 W時兩種熱管啟動性能曲線Fig.4 Temperature curves of the two LHPs during the startup process at 130 W

2.1.2 啟動時間、運行溫度及熱阻的對比

兩種熱管不同負荷下啟動時間和運行溫度的對比曲線如圖5所示。從兩種熱管的啟動時間來看，整體都隨著熱負荷的增加先減少后增大，這是因為在負荷較小時，蒸發器內蒸汽產生較慢，形成足夠的蒸汽壓頭以使系統啟動的用時較長，隨著負荷變大，蒸發器內蒸汽產生速度加快，能更快地形成足夠大的蒸汽壓頭使系統啟動，但負荷繼續增大時，蒸發器更容易向液線毛細芯進口或儲液室漏熱，使毛細芯兩端難以形成足夠的壓差，延長了啟動時間；同時，除30 W和50 W負荷啟動外，液線毛細芯環路熱管的啟動時間均小于傳統環路熱管，特別是在10 W和高負荷啟動時優勢更加明顯。從兩種環路熱管的運行溫度來看，兩者在90 W及以下負荷時的運行溫度始終相近，但在110 W及以上高負荷運行時，傳統環路熱管的運行溫度更低，且能在150 W負荷時成功啟動運行，液線毛細芯環路熱管最高可在130 W負荷時成功啟動運行，運行溫度為91.3 ℃，熱阻為0.33 K/W。不同負荷下兩種熱管的熱阻對比曲線如圖6所示。在50 W以下的低負荷運行時，液線毛細芯環路熱管的熱阻明顯低于傳統環路熱管；在50～90 W負荷運行時，兩者熱阻十分接近；在110 W及以上負荷運行時，液線毛細芯環路熱管的熱阻趨于穩定，但傳統環路熱管熱阻仍有降低趨勢，這也印證了高負荷啟動時傳統環路熱管運行溫度更低，成功啟動的負荷上限更大的實驗結果。

圖5 不同負荷下啟動時間和運行溫度的對比Fig.5 Comparison of startup time and operating temperature under different loads

圖6 不同負荷下熱阻的對比Fig.6 Comparison of thermal resistance under different loads

2.2 水平狀態變工況運行特性

Ti為液線毛細芯熱管測溫點溫度(i=1,2,…,9)圖7 液線毛細芯熱管10～130 W變工況運行特性Fig.7 Operating characteristics of the novel LHP at 10～130 W under variable conditions

在熱管的實際運行過程中，熱源的負荷并非是一直不變的，熱管應對不穩定負載下的自適應能力包括響應速度，穩定性等。水平狀態下液線毛細芯環路熱管10～130 W變工況運行特性曲線如圖7所示。可以看出，系統最高的運行溫度為91.7 ℃，整個運行過程都能保證較快的響應速度和較好的穩定性，沒有溫度振蕩。隨著熱負荷的增加，液線毛細芯進口溫度出現先下降后穩定的趨勢。先下降是因為隨著負荷增大，回流的過冷工質增多，使此處溫度下降，但負荷超過70 W時，蒸發器向此處的漏熱量與回流液體的冷量達到平衡，導致此處溫度不再明顯變化，這也證明了即使在高負荷下，液線毛細芯進口溫度受蒸發器漏熱影響較小，能夠穩定在一個較低的溫度值，更有利于在毛細芯兩端形成較大的壓差。

2.3 重力輔助時的運行性能

在重力輔助條件下，即冷凝器位于蒸發器上側時，液線側液體的重力會轉為系統內工質循環的助力，使系統更容易啟動。在重力輔助角10°～30°時對液線毛細芯環路熱管運行性能進行測試。

液線毛細芯環路熱管在水平及重力輔助角10°、20°和30°時的運行性能曲線如圖8所示。當熱管以10°角運行時，其熱阻和運行溫度較水平運行有明顯的降低，同時可成功啟動負荷上限由130 W增至230 W，在230 W時，其運行溫度為95.3 ℃，熱阻為0.17 K/W；當重力輔助角增至20°時，其運行溫度與熱阻進一步降低，但降低幅度變小，可成功啟動負荷上限增至250 W，此時運行溫度為98.1 ℃，熱阻為0.14 K/W；重力輔助角由20°增至30°時，對整個系統的運行性能提升較小，可成功啟動負荷上限仍為250 W，熱阻和運行溫度與20°角接近。

圖8 不同重力傾角的熱阻與運行溫度Fig.8 Thermal resistance and operating temperature at different gravity-assisted angles

3 結論

設計制作了一種液線毛細芯結構的環路熱管，它可應用于有限空間的高熱密度芯片的服務器冷卻，并可對后續的環路熱管性能優化提供新的方向。得到如下結論。

(1)傳統環路熱管在高負荷時運行溫度較低, 熱阻較小，但新型環路熱管的啟動時間更短，且在低負荷啟動時不會出現傳統環路熱管的溫度振蕩現象。

(2)水平狀態下新型環路熱管有良好的變工況運行性能，響應較快，無溫度振蕩，且液線毛細芯進口溫度受負荷變化影響有限，可以維持在一個較低的溫度，利于系統在變工況下的迅速響應和穩定運行。

(3)新型環路熱管重力輔助運行時運行性能較水平運行有很大的提升，10°或20°重力輔助時運行性能提升明顯，重力傾角繼續增大時運行性能提升效果衰減。