夏侯國偉孔方明謝明付

(1長沙理工大學能源與動力工程學院 長沙 410076;2中國人民解放軍92002部隊 汕頭 515000)

并聯(lián)梯形槽道板式脈動熱管的啟動性能研究

夏侯國偉1孔方明2謝明付1

(1長沙理工大學能源與動力工程學院 長沙 410076;2中國人民解放軍92002部隊 汕頭 515000)

為分析板式脈動熱管啟動性能的影響因素，對一種并聯(lián)梯形槽道板式脈動熱管在空氣強制對流冷卻情況下進行了實驗研究。結果表明，熱管在低加熱功率下的啟動行為呈現(xiàn)冷熱端溫度平穩(wěn)上升和跳躍兩種，其中跳躍行為又分為跳躍后冷熱端溫度繼續(xù)上升與逐漸下降兩種；而熱管在高加熱功率下的啟動行為主要為溫度跳躍；同時實驗還發(fā)現(xiàn)熱管的完全啟動溫度隨充液率及傾角的增加而增加，與加熱功率無關；加熱功率影響啟動速度，功率越高熱管啟動速度越快。

板式脈動熱管；并聯(lián)梯形槽道；啟動性能；充液率；加熱功率

Akachi于20世紀90年代提出脈動熱管[1]，其結構簡單、傳熱性能好、適應性強、沒有傳統(tǒng)毛細極限[2]，在航空航天及電子設備冷卻領域具有良好的應用前景[3]，吸引國內外學者對其進行了大量研究，研究重點集中在分析穩(wěn)定運行時傳熱性能的影響因素，獲得了許多有益結論。脈動熱管的工作包含啟動和穩(wěn)定運行兩過程，不可分割。啟動溫度高低同樣關系到電子設備安全及性能，如啟動溫度過高，會超出設備允許的溫度范圍，從而影響設備的性能，熱管也就失去意義。然而，目前針對脈動熱管啟動的研究開展的較少，從所查閱的資料看，Khapdekar S等[4]、Xu JL等[5]、徐榮吉等[6]、劉向東等[7]、王訊等[8]曾對蛇形圓管式回路脈動熱管的啟動進行了實驗研究；權力等[9]對矩形截面蛇形回路槽道平板脈動熱管啟動性能進行了實驗研究，且該槽道布局本質上與蛇形圓管式回路脈動熱管相類似；史維秀等[10]對并聯(lián)正方形板式脈動熱管主要進行了啟動性能研究，但其內容沒有涉及啟動過程的主要現(xiàn)象——溫度突變現(xiàn)象?？傮w來看，目前脈動熱管啟動性能的研究還很不充分，啟動過程及其機理至今尚未了解透徹。相關研究表明，脈動熱管的槽道截面形狀與槽道聯(lián)通情況對其性能影響很大[11－15]，不同的結構甚至可能出現(xiàn)不同的結論。為更好地探索啟動機理，有必要加強對不同結構板式脈動熱管啟動的研究，以分析總結其規(guī)律。本文提出了一種非回路的并聯(lián)槽道板式脈動熱管，其槽道截面為尖銳梯形，通過實驗研究分析其在空氣強制對流條件下的啟動過程及相關影響因素的作用。

1 實驗對象及實驗方法

本文的并聯(lián)梯形截面槽道板式脈動熱管是一種新穎結構的熱管，具有結構簡單、耗材少、易加工等特點，平面受熱端適合電子器件的散熱，甚至可直接將受熱面與集成電路板整合為一體。蒸發(fā)端和冷凝端由數(shù)條具有尖銳梯形槽道并聯(lián)連接，尖銳角度可增大回流毛細力，外部波浪結構既可增大散熱面積又可強化擾動散熱。長寬高尺寸為210 mm×41.8 mm× 2.88 mm，梯形槽當量直徑1.664 mm。熱管冷熱端長度分別為126 mm和84 mm，殼體采用0.4 mm不銹鋼薄板。板式脈動熱管結構如圖1和圖2所示。

圖1 板式脈動熱管截面圖(單位:mm)Fig·1 Section of plate pulsating heat pipe(unit:mm)

圖2 板式脈動熱管實物圖Fig·2 Actual object of Plate pulsating heat pipe

脈動熱管啟動性能實驗裝置如圖3所示，包括加熱、冷卻及數(shù)據(jù)采集三部分。加熱部分由纏繞電阻絲的加熱塊、可調變壓器、功率表組成；冷卻部分采用CPU散熱風扇，可實現(xiàn)空氣強制對流散熱；數(shù)據(jù)采集部分采用Keithley2700數(shù)字多用表，通過數(shù)根K型熱電偶對熱管壁溫進行實時采集，熱電偶測量精度為± 0.4%，Keithley2700數(shù)字多用表具有六位半精度。

圖3 實驗裝置示意圖Fig·3 SchematiCdiagramof experimental appara tus

圖4為溫度測點布置圖。熱管每隔20 mm布置1個測點，另外加熱塊布置1個測點，共10個測點。為減少實驗熱損失，蒸發(fā)段及加熱塊用石棉包裹。熱管工質為丙酮。實驗步驟:1)利用真空泵將熱管的真空度抽到9.5×10－5Pa，并保持每次所抽的真空值不變；2)對熱管進行灌液；3)在各充液率下，調節(jié)不同傾角，在每個傾角度下進行不同加熱功率的啟動性能實驗；4)每組工況進行5次重復實驗。

圖4 測點分布圖Fig·4 Distribution ofmeasuring points

2 實驗結果及分析

對實驗數(shù)據(jù)進行篩選處理，為減小隨機誤差，選取每組實驗工況下較典型的曲線作為研究對象，根據(jù)這些曲線，從以下兩方面對熱管的啟動過程及啟動影響因素進行分析與討論。

2·1 幾種典型的熱管啟動過程

2·1·1 低功率下熱管啟動過程

圖5為加熱功率15 W時，熱管啟動過程溫度曲線圖。熱管在此功率下的啟動行為大致分為兩大類:一類是熱端、冷端溫度平穩(wěn)上升；另一類是熱端、冷端溫度發(fā)生跳躍，其中又分為跳躍后溫度繼續(xù)上升和跳躍后溫度逐漸下降兩種情況。由圖5(a)、(b)、(c)可知，熱管啟動是否存在跳躍，主要與熱管充液率有關。當充液率低時，管內汽液塞數(shù)量少，因此，低加熱功率下，熱端工質在低飽和參數(shù)時產(chǎn)生的蒸氣能克服阻力推動液塞向冷端移動，將熱端吸收的熱量及時傳遞到冷端，所以冷熱端的溫度表現(xiàn)為平穩(wěn)上升；當充液率高時，管內形成的氣液塞數(shù)量多，熱端工質產(chǎn)生的蒸氣只有積累到某一更高飽和參數(shù)才能克服阻力推動氣液塞向冷端移動，此時輸送到冷端的熱量比低飽和參數(shù)時要大很多，因此冷熱端溫度都出現(xiàn)明顯的跳躍變化。從圖5(c)和(d)可知，冷熱端溫度跳躍后是繼續(xù)上升還是逐漸下降，與熱管初始安裝角度即傾角有關。熱管傾角越大，重力產(chǎn)生的阻力越大，熱端蒸氣需要積累到的飽和參數(shù)也越高，甚至超過其穩(wěn)定工作時的飽和參數(shù)，此時溫度跳躍后熱端吸熱量低于回流蒸發(fā)吸熱量，故溫度跳躍后逐漸下降；當傾角為0°時，無重力產(chǎn)生的阻力，蒸氣需要積累到的飽和參數(shù)低于穩(wěn)定工作時的參數(shù)，溫度跳躍后熱端吸熱量高于冷端回流蒸發(fā)吸熱量，故溫度跳躍后繼續(xù)上升。

2·1·2 高功率下熱管啟動過程

圖5 低加熱功率15W時熱管的啟動過程Fig·5 Heat pipe start-uPprocess of 15W low heating power

圖6 高加熱功率40W時熱管的啟動過程Fig·6 Heat pipe start-uPprocess of 40W high heating power

圖6為加熱功率40 W時，熱管啟動過程的溫度曲線圖。熱管在此加熱功率下的啟動行為是:熱管完全啟動瞬間都出現(xiàn)熱端溫度跳躍下降、冷端溫度跳躍上升，并在跳躍后冷熱兩端溫度繼續(xù)上升的現(xiàn)象。這是因為熱管在高功率下啟動時，無論工質多還是少，熱端吸熱量都大于傳遞到冷端的熱量，因此熱端工質不斷積蓄熱量，直至蒸氣的飽和參數(shù)積累到能推動大量液塞向冷端移動，此時冷熱端的溫度都會發(fā)生跳躍，此后熱管便完全啟動。分析圖6(a)、(b)、(c)，不同充液率的情況下，熱管在45°傾角、40 W高功率下都呈現(xiàn)跳躍式啟動，而充液率只對冷端溫度跳躍的幅度有一定影響，20%、30%、50%的溫度跳躍幅度分別為9.2℃、13.5℃和32.3℃。這是因為充液率越大，熱管啟動所積蓄的熱量越大，跳躍越明顯。比較圖6(c)和(d)可知，50%高充液率、40 W高加熱功率下，傾角對熱管跳躍式啟動行為影響非常小，原因是此時熱端啟動所需飽和壓力比傾角引起的重力性阻力大很多，因此傾角影響不大。

2·2 影響熱管啟動過程的因素

由于脈動熱管啟動過程復雜，且處于研究起步階段，所以目前為止對脈動熱管的啟動尚無嚴格統(tǒng)一的定義。大部分情況下，脈動熱管完全啟動時冷、熱端溫度會發(fā)生明顯的突變，故目前普遍以冷、熱端溫度發(fā)生突變?yōu)閱訕酥荆野褵岫送蛔兦暗臏囟榷x為啟動溫度。應指出的是，在低加熱功率下也有冷、熱端溫度無突變，而熱管已啟動的現(xiàn)象存在，此時熱管啟動溫度如何確定有待進一步商榷。本文啟動溫度的確定，仍沿用目前通用方法確定，并在此基礎上研究并聯(lián)槽道板式脈動熱管的啟動過程及其影響因素。

2·2·1 傾角對熱管啟動過程的影響

圖7和圖8分別為充液率50%時，不同傾角下的熱管啟動過程溫度曲線圖。其中圖7傾角為30°、圖8為90°，熱管的完全啟動溫度分別為53℃、63℃。由此可知，充液率一定時熱管在某一傾角下對應一定的完全啟動溫度，傾角越大溫度就越高。這是因為傾角越大，重力產(chǎn)生的阻力也更大，因此熱端蒸氣需要達到的飽和參數(shù)也越高，熱管的完全啟動溫度也越高。

2·2·2 加熱功率對熱管啟動過程的影響

由圖7和圖8可知，加熱功率為15 W和40 W時，熱管的完全啟動溫度均為53℃與63℃，加熱功率對熱管完全啟動溫度的高低基本沒有影響，但從圖中可以看出加熱功率影響熱管啟動的快慢，加熱功率越高，熱管啟動越迅速。原因是脈動熱管的啟動條件為熱端飽和壓力大于等于冷端運動阻力，當充液率、傾角及環(huán)境溫度不變時，冷端氣液分布及毛細作用力、重力軸向分力也不變，啟動需要克服的阻力隨之確定。熱管中熱流密度隨加熱功率增大而增大，其達到啟動所需飽和壓力耗時變短，故啟動速度加快。

圖7 充液率50%、傾角30°時熱管的啟動過程Fig·7 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when liquid filling ratio is 50%,inclination angle is 30°

2·2·3 充液率對熱管啟動過程的影響

圖9為功率30W、傾角45°時熱管在不同充液率的啟動過程溫度曲線圖。其中，圖9(a)為20%充液率，圖9(b)為30%充液率，熱管的完全啟動溫度分別為53℃、58℃。由此可知，傾角一定時，充液率越高，熱管的完全啟動溫度也越高。這是因為傾角相同時，熱管充液率越高，熱端液態(tài)工質也越多，管內分布的氣液塞也越多，熱端工質需要達到的飽和參數(shù)也越高，熱管的完全啟動溫度也就越高。

3 結論

本文對一種并聯(lián)梯形截面槽道平板脈動熱管的啟動過程進行了實驗研究，對實驗結果分析后表明:

1)低加熱功率和高加熱功率下的啟動過程不同，表現(xiàn)在冷熱端的溫度變化分為平穩(wěn)上升和跳躍兩種，其中跳躍又分為跳躍后溫度繼續(xù)上升或者逐漸下降兩種情況。

圖8 充液率50%、傾角90°時熱管的啟動過程Fig·8 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when liquid filling ratio is 50%,inclination angle is 90°

圖9 功率30W、傾角45°時熱管的啟動過程Fig·9 Heat pipe start-uPprocess of heat pipe when heating power is 30W,inclination angle is 45°

2)低加熱功率時，充液率低，啟動過程中冷熱端溫度平穩(wěn)上升；充液率高，溫度發(fā)生跳躍。其中傾斜角度為0°，跳躍后溫度繼續(xù)上升，傾斜角度大于0°則會逐漸下降。

3)高加熱功率時，冷熱端溫度都表現(xiàn)為跳躍后繼續(xù)上升；充液率只對跳躍幅度有影響，充液率越高，跳躍的幅度越大；而傾斜角度對啟動行為影響較小。

4)熱管完全啟動溫度隨充液率或角度增大而增大，與加熱功率變化無關。

5)加熱功率只影響熱管的啟動速度，功率越大啟動速度越快。

本文受湖南省自然科學基金項目(12JJ2031)和長沙市能源局([2008]27-8)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province (No. 12JJ2031)and Changsha Energy Administration(No.[2008]27-8).)

[1] Miyazaki Y，Akachi H.Heat transfer characteristics of looped capillary heat pipe[C]//Proceeding of 5th International Heat Pipe Symposium，Melbourne，Australia，1996: 378-383.

[2] 林梓榮，汪雙鳳，吳小輝.脈動熱管技術研究進展[J].化工進展，2008，27(10):1526-1532.(Lin Zirong，Wang Shuangfeng，Wu Xiaohui.Recent research on pulsating heat pipe[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2008，27(10):1526-1532.)

[3] Zhang Y W，F(xiàn)aghri A.Advances and unsolved issues in pulsating heat pipes[J].Heat Transfer Engineering，2008，29(1):20-44.

[4] Khapdekar S，GautamA P，Sharma PK.Multiple quasisteady states inAclosed looPpulsating heat pipe[J].International Journal of Thermal Sciences，2009，48(3): 535-546.

[5] Xu JL，Zhang X M.Start-uPand steady thermal oscilla-tion ofApulsating heat pipe[J].Heat Mass Transfer，2005，41:685-694.

[6] 徐榮吉，王瑞祥，叢偉，等.脈動熱管啟動過程的實驗研究[J].西安交通大學學報，2007，41(5):530-533. (Xu Rongji，Wang Ruixiang，CongWei，etal.Experimental study on start-uPprocess of pulsating heat pipe[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University，2007，41(5):530-533.)

[7] 劉向東，陳永平，張程賓，等.閉式脈動熱管啟動性能的實驗研究[J].宇航學報，2011，32(10):2300-2304. (Liu Xiangdong，Chen Yongping，Zhang Chengbin，et al. Experimental study on start-uPperformance of closed looPpulsating heat pipe[J].Journal of Astronautics，2011，32 (10):2300-2304.)

[8] 王迅，王磊，韓同，等.脈動熱管啟動特性的實驗研究[C]//第十二屆全國熱管會議論文集.深圳:中國工程熱物理學會，2010:182-187.

[9] 權力，賈力.板式脈動熱管的實驗研究[J].工程熱物理學報，2010，31(6):1009-1012.(Quan Li，Jia Li. Experimental research on flatpulsating heatpipe[J].Journal of Engineering Thermophysics，2010，31(6):1009-1012.

[10]史維秀，李惟毅，潘利生，等.多通路并聯(lián)回路板式脈動熱管可視化及啟動性能試驗研究[J].機械工程學報，2014，50(4):155-161.(ShiWeixiu，LiWeiyi，Pan Lisheng，etal.Experiment study on visualization and startuPperformance of closed looPplate pulsating heatpipewith parallel channels[J].Journal of Mechanical Engineering，2014，50(4):155-161.)

[11]Khandekar S，Schneider M，Schafer P，etal.Thermo-fluid dynamiCstudy of flat-plate closed looPpulsating heat pipes [J].Microscale Thermophysical Engineering，2002，6 (4):303-317.

[12]周巖，曲偉.微型脈動熱管的傳熱性能實驗研究[J].中國科學院研究生學報，2007，24(4):425-430.( Zhou Yan，Qu Wei.Experiments on heat transfer capability of miniature pulsating heat pipes[J].Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，2007，24(4):425-430.

[13]楊洪海，張晨，Gorll Manfred.圓管式及方槽板式脈動熱管的比較[J].流體機械，2009，37(6):70-72. (Yang Honghai，Zhang Chen，Groll Manfred.Comparion between two kinds of pulsating pipes(circle tube type and flat plate typewith square channels)[J].Fluid Machinery，2009，37(6):70-72.)

[14]范春利，曲偉，孫豐瑞，等.三種微槽結構的平板熱管的傳熱性能實驗研究[J].電子器件，2003，26(4): 357-360.(Fan Chunli，Qu Wei，Sun Fengrui，et al.The experimental study of the performance of flatminiature heat pieswith three kinds ofmicro grooves[J].Chinese Journal of Electron Devices，2003，26(4):357-360.

[15]夏侯國偉，楊彩蕓，陳蘭蘭.雙面三角形和矩形通道平板脈動熱管的傳熱性能[J].中南大學學報(自然科學版)，2012，43(5):1984-1989.(Xiahou Guowei，Yang Caiyun，Chen Lanlan.Heat transfer performance of flat plate pulsating heat pipe with double sides rectangular or triangular channel[J].Journal of Central South University (Science and Technology)，2012，43(5):1984-1989.)

About the corresponding author

Xiahou Guowei，male，associate professor，College of Energy and DynamiCEngineering，Changsha University of Science and Technology，＋86 13548617113，E-mail:xh_gw＠126.com.Research fields:efficient heat transfer enhancement.

Study on the Start-uP Performance of Plate Pulsating Heat Pipe with Parallel Trapezoidal Channel

Xiahou Guowei1Kong Fangming2Xie Mingfu1

(1.College of Energy and DynamiCEngineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，410076，China；2.No.92002 Unit，People’s Liberation Army，Shantou，515000，China)

In order to analyze the factors which affect the start-uPperformance of plate pulsating heat pipe，a plate pulsating heat pipe with parallel trapezoidal channelwas experimentally investigated in the forced air convection cooling conditions.Results indicate that heat pipe start-uPbehavior at low heating power are temperature rise steadily and jump，and the jumPcase is divided into two categories:the temperature of evaporator and condensation rise steadily and gradually declined；while heat pipe start-uPbehavior at high heating power is mainly temperature jump.In addition，the full start-uPtemperature of heat pipe riseswith the increased liquid filling ratio and inclination angle，it has nothing to dowith the heating power.Specially，heating power influences the start-uPspeed.The higher heating power leads to the faster heat pipe start-up.

plate pulsating heat pipe；parallel trapezoidal channel；start-uPperformance；liquid filling ratio；heating power

TB61＋1；TB657.5

A

0253－4339(2015)02－0089－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.089

簡介

夏侯國偉，男，副教授，長沙理工大學能源與動力工程學院，13548617113，E-mail:xh_gw＠126.com。研究方向:高效強化傳熱研究。

2014年7月2日