脈動(dòng)熱管氣液塞位置分布對(duì)啟動(dòng)性能的影響

脈動(dòng)熱管氣液塞位置分布對(duì)啟動(dòng)性能的影響

0脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液塞初始分布隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，逐步開(kāi)發(fā)的電子系統(tǒng)和高密度密封對(duì)電子產(chǎn)品的熱量提出了新的要求。雖然脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但其內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制較為復(fù)雜,涉及到兩相流相變傳熱、薄液膜蒸發(fā)、毛細(xì)力、表面張力、摩擦力和重力的作用等然而目前很少有公開(kāi)的文獻(xiàn)把脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液塞初始分布作為一個(gè)變量來(lái)研究其對(duì)脈動(dòng)熱管性能的影響。此外,充注方式的不同在實(shí)際應(yīng)用中也是非常常見(jiàn)且需要考慮的問(wèn)題。針對(duì)此,本文擬搭建以?xún)?nèi)徑2mm為例的脈動(dòng)熱管可視化氣液塞分布實(shí)驗(yàn)裝置,研究不同充液率下和不同充注方式(分次充注和一次性充注)下氣液塞分布的規(guī)律,為理論模型的改善和啟動(dòng)性能的提高提供更精確的初始條件。1實(shí)驗(yàn)1.1實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程為了研究氣液塞的初始分布,本文研制了脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)裝置,其流程圖如圖1所示。該裝置主要包括脈動(dòng)熱管、充液抽真空裝置、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和圖像及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中采用的脈動(dòng)熱管由石英玻璃制成,其是內(nèi)徑為2mm,外徑為7.5mm,彎頭數(shù)目為5,脈動(dòng)熱管中蒸發(fā)段長(zhǎng)度為50mm,冷凝段長(zhǎng)度為100mm。工作流體為去離子水;脈動(dòng)熱管垂直90°放置。實(shí)驗(yàn)中采用電加熱的方法,將鎳鉻加熱絲纏繞在蒸發(fā)段,通過(guò)改變鎳鉻電加熱絲兩端電壓來(lái)改變輸入脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段的熱流。冷凝段采用22℃恒溫水進(jìn)行冷卻。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)壓力傳感器來(lái)驗(yàn)證裝置的氣密性及檢測(cè)真空度是否達(dá)到要求。采用的壓力傳感器型號(hào)為PTX-5072,量程為0～2MPa,其值由Agilent34970六位半多功能萬(wàn)用表采集,其壓力總的不確度為±800Pa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)調(diào)壓變壓器調(diào)整輸入電壓,從而改變輸入熱量的大小,其輸入功率由功率表測(cè)量。采用的功率表型號(hào)為HB404P-Z,精度為0.2級(jí)。圖像記錄采用的攝像機(jī)型號(hào)為NikonCoolpix5700和SnoyDSC-S753。1.2氣液塞初始分布對(duì)起振的影響根據(jù)以往的研究,脈動(dòng)熱管在20%～80%充液率下能正常工作與此同時(shí),為探究氣液塞初始分布對(duì)脈動(dòng)熱管氣液塞起振的影響,本文還設(shè)計(jì)了在50%充液率下脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)試驗(yàn)。蒸發(fā)段輸入的加熱功率從10W開(kāi)始增加,觀察脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以尋找不同氣液塞初始分布下脈動(dòng)熱管的起振功率。1.3不同氣液塞分布情況下脈動(dòng)熱管起振功率實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟如下:1)按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案連接脈動(dòng)熱管系統(tǒng)、充液抽真空裝置、加熱系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);2)在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段,利用高壓氮?dú)鈱?duì)管道內(nèi)部的雜物進(jìn)行吹除并且保證管道內(nèi)部的干燥。為了確保管道氣密性,在充注之前對(duì)裝置進(jìn)行保壓試驗(yàn)驗(yàn)證;3)在充注之前利用真空泵對(duì)脈動(dòng)熱管進(jìn)行抽真空,將管內(nèi)壓力抽至1Pa以下;4)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)充液率及充注方式,如表1所示;5)根據(jù)管內(nèi)容積和充液率30%計(jì)算的去離子水體積進(jìn)行充注,待去離子水在脈動(dòng)熱管中穩(wěn)定后,用相機(jī)記錄下管內(nèi)氣液塞的分布情況;6)改變充液率和充注方式,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)30次,并分別記錄下管內(nèi)氣液塞的分布情況;7)在進(jìn)行完氣液塞分布情況之后開(kāi)展充注50%充液率時(shí)不同氣液塞分布情況下脈動(dòng)熱管起振功率實(shí)驗(yàn),其具體情況為:脈動(dòng)熱管恒溫水箱設(shè)定水溫為22℃,并保持溫度在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定;打開(kāi)變壓器和功率表的電源,在10W功率下持續(xù)加熱30min,觀察氣液塞是否開(kāi)始振蕩;若未開(kāi)始振蕩則繼續(xù)以5W為步長(zhǎng)增加加熱功率。每個(gè)功率下持續(xù)加熱30min,觀察氣液塞的運(yùn)動(dòng),若氣液塞開(kāi)始振蕩則記錄該時(shí)刻的功率。2結(jié)果與討論2.1不同充注方式下的液塞分布本文通過(guò)脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)得到初始?xì)庖喝植嫉膱D像,并對(duì)各管段進(jìn)行編號(hào)如圖2所示。在實(shí)驗(yàn)中利用高清攝像機(jī)得到30組氣液塞初始分布的圖像,本文通過(guò)Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,統(tǒng)計(jì)不同充液率和不同充注方式下脈動(dòng)熱管液塞位置分布和長(zhǎng)度的規(guī)律,見(jiàn)圖3、4。圖3(a)表示充液率30%一次性充注的液塞分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果;圖3(b)為50%充液率分兩次充注(30%+20%)的液塞分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果;圖3(c)給出了充液率為70%時(shí)分三次充注(30%+20%+20%)的液塞分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果;圖4給出了充液率為50%一次性充注的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。按照本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的脈動(dòng)熱管充注口充注時(shí),不同充液率和不同充注方法下的初始?xì)庖喝植加幸恍┕餐奶攸c(diǎn)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖3、4中可以看出,豎直管4～6出現(xiàn)液塞的頻率最低,在充注過(guò)程中,去離子水經(jīng)充注口充入后,液塞從水平管段左右兩側(cè)向下流動(dòng),因此氣液塞穩(wěn)定后中間部分的豎直管常出現(xiàn)長(zhǎng)段氣塞。從圖3中還可以看出隨充液率上升,中間豎直管內(nèi)長(zhǎng)氣塞縮短,脈動(dòng)熱管整體氣液塞分布呈現(xiàn)更為均勻的狀態(tài)。此外,對(duì)比圖3(b)和圖4,后者初始液塞分布更均勻,因此分次充注時(shí)脈動(dòng)熱管初始?xì)庖喝鶆蛐员纫淮涡猿渥r(shí)要好。此外,本文還統(tǒng)計(jì)了脈動(dòng)熱管充注后液塞的初始長(zhǎng)度,見(jiàn)圖5。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以得出,大部分液塞的長(zhǎng)度集中在1～10mm,且2～4mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的液塞出現(xiàn)頻率最大。對(duì)比不同的充液率下液塞長(zhǎng)度的分布得出,隨著充液率的降低,脈動(dòng)熱管中短液塞所占的比例提高。2.2氣液塞初始分布為了研究氣液塞初始分布對(duì)于脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能的影響,本文在可視化實(shí)驗(yàn)中觀察了不同氣液塞分布情況下脈動(dòng)熱管內(nèi)起振的情況,其結(jié)果見(jiàn)圖6～9。脈動(dòng)熱管內(nèi)蒸發(fā)段氣液塞分布較為均勻時(shí)(見(jiàn)圖6),氣液塞在15W加熱功率下已經(jīng)形成整體的流動(dòng),開(kāi)始振蕩。開(kāi)始振蕩時(shí)氣液塞的運(yùn)動(dòng)如圖7所示。而當(dāng)蒸發(fā)段彎頭處聚集長(zhǎng)氣塞時(shí)(見(jiàn)圖8),加熱功率增加至20～40W氣液塞才開(kāi)始振蕩,如圖9。因此,脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液塞初始分布對(duì)于氣液塞起振有重要的影響,蒸發(fā)段彎頭內(nèi)氣液塞的均勻分布有利于脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)。因此,結(jié)合前文中脈動(dòng)熱管初始?xì)庖喝植家?guī)律的研究,分次充注或適當(dāng)提高充液率有利于提高氣液塞分布的均勻性,有助于脈動(dòng)熱管氣液塞的起振。3有利于提高脈動(dòng)熱管氣液塞分布的均勻性本文在可視化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在本文給出的充注口位置的情況下研究了不同充液率和充注方式下脈動(dòng)熱管初始?xì)庖喝植嫉囊?guī)律。研究了不同氣液塞分布對(duì)脈動(dòng)熱管中氣液塞起振的影響。得出了以下結(jié)論:1)脈動(dòng)熱管充注統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:中間管段較容易出現(xiàn)長(zhǎng)氣塞,而其他管段氣液塞分布較為均勻;分次充注和增大充液率有利于提高脈動(dòng)熱管初始?xì)庖喝植嫉木鶆蛐浴?)脈動(dòng)熱管初始液塞長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)顯示:初始液塞的長(zhǎng)度集中在1～10mm,且2～4mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的液塞出現(xiàn)頻率最大;隨著充液率的降低,短液塞出現(xiàn)的頻率提高