環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱性能的試驗研究

環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱性能的試驗研究

隨著電子技術(shù)和微控制技術(shù)的快速發(fā)展，人們對電子設(shè)備的發(fā)熱需求不斷提高。環(huán)路熱管的啟動及正常運行性能是評判一臺環(huán)路熱管性能優(yōu)劣的關(guān)鍵標準。Li等環(huán)路熱管的啟動性能和環(huán)路熱管的傾斜角度、工質(zhì)充液率、加熱功率、毛細芯等因素有關(guān)本文制備了一套以水為工質(zhì)的環(huán)路熱管系統(tǒng),設(shè)計并進行了試驗。通過改變工質(zhì)充液率、傾斜角、加熱功率以及冷卻水流量,收集不同工況下環(huán)路熱管運行的溫度數(shù)據(jù)并進行分析,得到各個參數(shù)對環(huán)路熱管工作性能的影響,以及各個參數(shù)之間的相互影響程度。1測試方法1.1儲液腔范圍和結(jié)構(gòu)設(shè)計了一套環(huán)路熱管系統(tǒng),如圖1所示。采用水作為環(huán)路熱管系統(tǒng)的工質(zhì)。熱管的主要材質(zhì)是紫銅,其導(dǎo)熱系數(shù)為380W/(m·K)。蒸發(fā)器和氣體管路、氣體管路和冷凝器、冷凝器和液體管路、液體管路和蒸發(fā)器之間全部由氣焊的方式焊接在一起,保證了環(huán)路熱管的密封性。蒸發(fā)器為方形結(jié)構(gòu),如圖2所示。蒸發(fā)器上方是儲液腔,上方中心連接液體管路,接口為圓形。儲液腔下方依次為多孔隔板、毛細芯和凸臺結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)器的最底端是換熱面,為0.07m×0.07m的正方形,和熱源直接接觸并吸收熱量。蒸發(fā)器側(cè)面有一側(cè)中心連接氣體管路,接口為圓形。蒸發(fā)器中為毛細芯預(yù)留0.04m×0.03m×0.004m的空間。采用500目的316材質(zhì)不銹鋼絲網(wǎng),層層疊加,組成毛細芯,充滿整個預(yù)留空間。冷凝器采用套管水冷方式,逆流換熱。其內(nèi)部工質(zhì)管路截面為圓形,管徑為0.003m,外部套管的截面為圓形,管徑為0.004m,冷凝器段管路總長度為0.69m。熱源系統(tǒng)采用加熱板電加熱的方式。加熱板為內(nèi)外2層,內(nèi)層為云母片,外層包裹著一層不銹鋼層。整個加熱板面積為0.07m×0.07m,厚度約為0.004m。在220V的通電條件下,加熱功率能夠達到140W。由于該加熱板僅有單一加熱功率,為了實現(xiàn)不同功率的加熱條件,使用信號發(fā)生器與繼電器,對加熱功率進行調(diào)節(jié)。將信號發(fā)生器接在繼電器的一邊,另一邊與加熱片并聯(lián)。當(dāng)信號發(fā)生器發(fā)出方波時,調(diào)節(jié)信號占空比,就可以實現(xiàn)對加熱板加熱功率的控制。為防止熱量散失,試驗過程中使用聚乙烯泡沫塑料對環(huán)路熱管管路及蒸發(fā)器進行了包裹。1.2熱源的加熱功率試驗選用J型熱電偶作為溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。熱電偶正極的材質(zhì)為鐵,負極的材質(zhì)為銅鎳,使用的溫度范圍為0—750℃。環(huán)路熱管系統(tǒng)的溫度采樣后,通過安捷倫34972A數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中。如圖3所示,整個環(huán)路熱管一共布置了10個熱電偶,分別測量蒸發(fā)器入口端的溫度、蒸發(fā)器儲液腔壁面的溫度、熱源端的溫度、蒸發(fā)器出口端的溫度、冷凝器入口端的溫度、冷凝器出口端的溫度、冷卻水入口端的溫度、冷卻水出口端的溫度、對照組熱源端的溫度和測量室內(nèi)環(huán)境溫度。已知環(huán)路熱管系統(tǒng)的工質(zhì)充液率(管路中工質(zhì)所占的體積分數(shù))在36.2%至80.8%范圍內(nèi)時,系統(tǒng)即可以正常啟動和運行。熱源的加熱功率也會影響環(huán)路熱管的工作性能。若加熱功率過小,換熱界面接收到的熱量較少,熱量不足以使毛細芯底端的液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā),使系統(tǒng)運行效果不佳甚至無法啟動;若加熱功率過大,換熱界面接收到的熱量較多,可能會超過環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱功率上限。冷凝器冷源為自來水,通過控制自來水流量來控制冷凝器的冷卻能力。環(huán)路熱管的熱阻按照下式計算:=Δ式中:試驗時,先接通加熱板電源,通過信號發(fā)生器輸出的占空比信號來控制加熱板功率。待熱電偶測量的溫度達到穩(wěn)態(tài)后,停止測量并保存數(shù)據(jù)。為保證試驗結(jié)果的準確性,降低隨機誤差對結(jié)果的影響,對相同參數(shù)的工況每組進行了3次試驗,取其平均值。2結(jié)果與討論2.1工質(zhì)及工質(zhì)流動阻力將充液率為40%,50%,60%和70%的工況下試驗結(jié)果匯總為圖4。充液率的不同影響的是環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)部冷凝器中的工質(zhì)氣液兩相分界面的位置。若環(huán)路熱管系統(tǒng)中充液率較多,冷凝器中的工質(zhì)氣液兩相分界面靠近冷凝器的入口端,氣態(tài)工質(zhì)能夠更快地冷凝成液態(tài)工質(zhì),然而液態(tài)工質(zhì)流動遇到的阻力要大于氣態(tài)工質(zhì)流動的阻力;若環(huán)路熱管系統(tǒng)中充液率較少,冷凝器中的工質(zhì)氣液兩相分界面靠近冷凝器的出口端,氣態(tài)工質(zhì)流動的阻力要小于液態(tài)工質(zhì)流動的阻力,但氣態(tài)工質(zhì)冷凝成液態(tài)工質(zhì)的速度較慢。試驗結(jié)果顯示在充液率為50%至60%的工況下,環(huán)路熱管的熱阻最小,運行性能最好。2.2試驗結(jié)果的分析先將蒸發(fā)器水平放置,開啟加熱板進行加熱,待環(huán)路熱管系統(tǒng)穩(wěn)定工作后開始記錄溫度數(shù)據(jù),經(jīng)過一段時間后改變傾斜角的度數(shù),從水平放置的蒸發(fā)器改變成傾斜角為30°,再改變成60°和豎直放置,記錄一段時間后停止記錄數(shù)據(jù)。將試驗結(jié)果整理為圖5。從試驗結(jié)果看,當(dāng)傾斜角為60°左右時,換熱界面溫度為46℃,環(huán)路熱管系統(tǒng)的散熱性能最佳。傾斜角對環(huán)路熱管系統(tǒng)的影響主要是兩個方面:一方面環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)部液態(tài)工質(zhì)由于重力的作用會產(chǎn)生向下流動的趨勢,存在傾斜角可能使得液態(tài)工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)液體管路內(nèi)的流動增強,有利于工質(zhì)在環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán),同時環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)部氣態(tài)工質(zhì)由于傾斜角的存在使得流動的路徑更加明確,有利于工質(zhì)在環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán);另一方面,傾斜角的存在使得蒸發(fā)器內(nèi)毛細芯內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)的流動受到了一定的影響,減弱了重力對液態(tài)工質(zhì)在毛細芯內(nèi)部流動的作用效果。2.3段時間后加熱板功率開啟140W的加熱板,首先輸出占空比為30%的信號到繼電器,使得加熱板的功率為42W,待到系統(tǒng)穩(wěn)定后開始讀數(shù),過一段時間修改信號發(fā)生器發(fā)出信號的占空比為50%,使得加熱板的功率為70W,穩(wěn)定一段時間后修改信號發(fā)生器發(fā)出信號的占空比為70%,使得加熱板的功率達到98W,待到系統(tǒng)穩(wěn)定一段時間后停止記錄數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果如表1所示。其中從試驗結(jié)果看,加熱板功率對環(huán)路熱管系統(tǒng)的散熱性能影響不大。但加熱功率較大時,環(huán)路熱管系統(tǒng)的散熱效率會有所下降。通過試驗結(jié)果推算,環(huán)路熱管系統(tǒng)在加熱板功率為40—70W之間能發(fā)揮其最佳性能。2.4冷卻水流量調(diào)整試驗方式與之前充液率相關(guān)試驗基本相似。開始記錄數(shù)據(jù)后開啟加熱板,加熱板功率低功率工況下為42W,高功率工況下為98W,冷卻水流量為5g/s,待到環(huán)路熱管系統(tǒng)穩(wěn)定后(試驗開始后約300s時)改變冷卻水流量為10g/s。圖6和圖7分別為低功率熱源和高功率熱源的工況下,改變冷卻水流量對環(huán)路熱管系統(tǒng)各點溫度的影響?？梢钥闯?無論在高功率還是低功率熱源工況下,改變冷卻水的流量對環(huán)路熱管系統(tǒng)的性能基本沒有影響。利用SPSS軟件,分別對低功率熱源和高功率熱源工況下,改變冷卻水流量前后的各測點溫度進行了單因素方差分析。發(fā)現(xiàn)在低功率熱源和高功率熱源工況下,sig值分別為0.769和0.867。即改變冷卻水流量前后,環(huán)路熱管系統(tǒng)各點溫度的變化不大。2.5傾斜角和加熱功率對環(huán)路熱管性能的交互作用設(shè)計了一組正交試驗,試驗條件如表2所示。其中,A列為工質(zhì)充液率,%;B列為蒸發(fā)器傾斜角,(°);C列為加熱功率,W;D列為冷卻水流量,g/s;“A×B”代表將充液率和傾斜角的共同作用視為一個影響因素;“A×C”代表將充液率和加熱功率的共同作用視為一個影響因素;“B×C”代表將傾斜角和加熱功率的共同作用視為一個影響因素。圖8、圖9和圖10顯示了充液率、傾斜角和加熱功率兩兩之間的相互影響。從圖8、圖9和圖10可以看出,充液率和傾斜角之間沒有交互作用,充液率和加熱功率之間存在交互作用,傾斜角和加熱功率之間沒有交互作用。為進一步探索充液率和加熱功率之間的交互作用,按照表3中的工況設(shè)置進行了4組試驗。可以看出,在加熱功率為42W時,充液率為50%的工況下環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱降溫占比,比充液率為70%的工況下環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱降溫占比要低3%左右;而加熱功率為98W時,充液率為50%的工況下環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱降溫占比和充液率為70%的工況下環(huán)路熱管系統(tǒng)散熱降溫占比基本相同,相差1%左右。可以看出,加熱功率和充液率之間存在交互作用,在高功率的工況下充液率對環(huán)路熱管系統(tǒng)的影響要小于低功率的工況下充液率對環(huán)路熱管的影響。3不同結(jié)構(gòu)的熱管傳熱性能為研究環(huán)路熱管工質(zhì)充液率、蒸發(fā)器傾斜角、熱源加熱功率以及冷卻水流量等多種因素對其傳熱性能的影響,以及不同影響因素之間的交互作用,本文設(shè)計了一套環(huán)路熱管并進行了試驗。研究發(fā)現(xiàn),對于所研究的環(huán)路熱管,工質(zhì)充液率與蒸發(fā)器傾斜角兩因素的選取存在最佳值。在工質(zhì)充液率為50%至60%的工況下,環(huán)路熱管系統(tǒng)傳熱性能達到了最佳;蒸發(fā)器的最佳傾斜角為與水平面夾角60°左右。加熱板功率對環(huán)路熱管系統(tǒng)的傳熱性能影響不大;但加熱功率較大時,環(huán)路熱管系統(tǒng)的散熱效率會有所下降。冷卻水流量的變化對于環(huán)路熱管系統(tǒng)的性能基本沒有影響。各個因素之