韓娜麗 徐紅艷 陳躍勇 張 添 董德平

(1中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

“Ω”形軸向槽道熱管傳熱系統(tǒng)傳熱能力試驗研究

韓娜麗1,2徐紅艷1陳躍勇1,2張 添1,2董德平1

(1中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

開展了“Ω”形軸向槽道熱管傳熱系統(tǒng)使用不同界面填料時在不同傳熱量下各個部分溫差的試驗研究，比較了熱管在不同安裝條件下熱管溫差、熱管兩端翅片與其安裝面的傳熱溫差、管殼與翅片的溫差以及熱端安裝面與冷端安裝面的溫差。研究表明，熱端安裝面的溫度與冷端安裝面的溫度均隨加熱量的增大而升高；界面材料不同，熱端安裝面與冷端安裝面的溫度分布不同，石墨片作為界面材料時安裝面的溫度均勻性更好；各個部分的溫差基本也隨加熱量的增大而增大。

熱管 導(dǎo)熱填料 加熱量 溫差

1 引 言

熱管是一種利用工質(zhì)的蒸發(fā)、凝結(jié)相變和循環(huán)流動而工作的器械。熱管具有較高的等溫性，可在小溫差下傳遞大熱流，因而成為高熱流密度散熱的重要手段之一。

熱管傳熱系統(tǒng)的性能好壞不僅與熱管自身的傳熱能力有關(guān)，還與安裝方式和傳熱量有關(guān)。熱管傳熱系統(tǒng)的溫差由多處熱阻造成的，包括熱管內(nèi)部本身的熱阻、熱管翅片與熱管殼體、熱管安裝面與熱管翅片間的熱阻等。

近年來國內(nèi)外對槽道熱管傳熱特性已進行了較為深入的理論分析和試驗研究[1-6]，而針對熱管安裝方式對傳熱性能的影響分析卻很少。因此，對目前工程項目中使用較多的“Ω”形軸向槽道熱管，在以螺釘安裝方式下，采用不同的中間填料對熱管傳熱系統(tǒng)的傳熱能力進行了試驗研究，獲得了熱管傳熱系統(tǒng)在傳遞不同熱量時，各組件間的溫差變化情況。

2 熱管傳熱能力理論分析

熱管系統(tǒng)傳熱過程中的熱阻主要可以分為熱管熱端翅片與熱源間的接觸熱阻、熱管自身的傳熱熱阻、熱管冷端翅片與冷源間的接觸熱阻等組成，其中熱管自身的熱阻包括熱端翅片與殼體間的熱阻、熱管冷端翅片與殼體間的熱阻以及熱端與冷端之間管體的軸向熱阻，如圖1所示，把上述的過程看作是串聯(lián)過程，熱管傳遞熱量的多少取決于上述過程的總熱阻。正是這些熱阻的存在使熱管在傳熱過程中出現(xiàn)了相應(yīng)的溫差。

圖1 熱管傳熱過程中的熱阻分析Fig.1 Thermal resistance analysis of heat pipe during heat transfer process

熱管系統(tǒng)傳熱能力的大小與多種因素有關(guān)，如兩接觸面材料熱導(dǎo)率、接觸表面形貌、連接方式、加載壓力大小等。例如對于翅片型熱管傳熱系統(tǒng)，影響該系統(tǒng)的傳熱性能的參數(shù)包括翅片厚度、翅片與管殼的連接方式、翅片的材質(zhì)、安裝螺釘?shù)姆植己蛡€數(shù)、安裝界面的填料等。

本文主要針對熱管與熱源、冷源的連接方式對系統(tǒng)傳熱能力的影響開展試驗研究。熱管安裝時，熱管與安裝面間的填料選擇了工程上常用的導(dǎo)熱墊和具有超強散熱能力的石墨片，比較兩種安裝方式下的傳熱效果。

3 試驗裝置

試驗裝置實物圖如圖2所示，由熱管、冷源和熱源模擬板、系統(tǒng)安裝支架、溫度測量和采集系統(tǒng)，水冷機組和直流電源等組成。熱管為?10單孔，長730 mm的Ω形鋁氨熱管，安裝在熱源模擬件和冷源的平板上，熱端安裝面翅片尺寸為50 mm×290 mm，冷端安裝面翅片尺寸為30 mm×137 mm。熱管翅片與熱源、冷源模擬件通過螺釘連接，熱管熱端使用8個M3×10不銹鋼螺釘與熱源連接，熱管冷端用6個M3×10不銹鋼螺釘與冷板連接，螺釘帽墊有M3標(biāo)準彈墊和平墊，冷熱端安裝面填充同種導(dǎo)熱填料。熱源模擬板為鋁材平板(100 mm×300 mm×12 mm)，背面粘貼薄膜加熱器作為模擬熱源；冷端安裝板為鋁材平板(160 mm×200 mm×25 mm)，內(nèi)部有紫銅盤管接水冷機組，通過PID實現(xiàn)溫控功能。在安裝板、翅片和管殼上布多個Pt1000鉑電阻及薄膜T型熱電偶來實現(xiàn)溫度測量，試驗中各個測點的分布圖如圖3所示。具體試驗設(shè)備列表如表1所示。

圖2 試驗裝置實物圖Fig.2 Physical maps of testing apparatus

圖3 試驗各測點的分布圖Fig.3 Test measuring points distribution map

表1 試驗設(shè)備列表Table 1 Experimental setup list

熱管冷熱端的高度可以通過安裝支架調(diào)整，使冷熱端保持在相同的高度，保證熱管自身的傳熱能力。為降低外界環(huán)境的影響，降低對流和輻射傳熱，將整個裝置用隔熱泡沫包覆。

4 試驗工況

安裝調(diào)試試驗裝置，調(diào)節(jié)安裝扭矩，調(diào)整熱管冷熱端高度，保證熱管能夠正常工作，開始本工況試驗，具體試驗程序如下：

(1)開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試初始狀態(tài)時溫度測量的誤差；

(2)開啟水冷機組，將冷板溫度控制在18±0.5 ℃；

(3)開啟直流電源輸入恒定功率模擬發(fā)熱；

(4)待溫度穩(wěn)定后，改變試驗工況，重新試驗；

(5)分別對導(dǎo)熱墊和石墨片為填料進行傳熱能力測試，對于固定扭矩的條件下，改變加熱功率，功率分別設(shè)置為5、10、15、20、25、30、35 W；

(6)為考慮安裝面壓力變化對傳熱性能的影響，改變螺釘扭矩分別為：0.6、0.8、1.0、1.2 N·m，重復(fù)試驗。

5 測試結(jié)果分析

主要從熱管安裝面間溫差、熱管管體與翅片溫差、熱管自身冷熱端間的溫差情況考察傳熱性能。

圖4給出了熱管安裝面的溫度隨加熱功率的變化曲線，從測試結(jié)果看，無論哪種安裝方式，冷熱端安裝面的溫度均隨加熱量的增大而增大。對于導(dǎo)熱墊安裝方式，扭矩為1.2 N·m時，當(dāng)加熱功率為5 W時，熱端安裝面最高溫度為21.1 ℃，冷端安裝面最高溫度為18 ℃；當(dāng)加熱功率為35 W時，熱端安裝面最高溫度為37.2 ℃，冷端安裝面最高溫度為25.1 ℃，功率增加30 W，熱端溫度升高16.1 ℃，冷端溫度升高7.1 ℃。對于石墨片安裝方式，扭矩為1.2 N·m時，當(dāng)加熱功率為5 W時，熱端安裝面最高溫度為21.3 ℃，冷端安裝面最高溫度為18.4 ℃；當(dāng)加熱功率為35 W時，熱端安裝面最高溫度為33.03 ℃，冷端安裝面最高溫度為21.8 ℃，功率增加30 W，熱端溫度升高11.7 ℃，冷端溫度升高3.4 ℃。二者相比，使用石墨片為中間填料時安裝面的溫度較低，能將熱源的熱量更有效地通過熱管傳輸出去。

圖4 熱端/冷端安裝面溫度隨加熱量變化的曲線Fig.4 Hot end/cold end mounted interfaces temperature curves variation with heat input

從圖5中可以看出安裝面的溫度分布并不均勻，使用石墨片時安裝面不同位置的溫度分布更為集中，在所有試驗工況中，使用導(dǎo)熱墊時熱端安裝面的最大溫差為7.5 K，而使用石墨片時最大溫差為2.5 K；使用導(dǎo)熱墊時冷端安裝面的最大溫差為4.2 K，而使用石墨片時最大溫差為1.5 K。兩者比較可知，使用石墨片作為中間填料的均溫效果明顯高于使用導(dǎo)熱墊。

圖5 熱端/冷端安裝面不同位置溫度分布曲線Fig.5 Hot end/cold end mounted interfaces different positions temperature distribution curves

從圖6可以看出，熱管翅片和安裝面間的溫差基本也是隨著加熱功率的增大而增大(采用石墨片的安裝方式時，對于所有工況，熱端安裝面與翅片溫差3呈下降趨勢，這與熱端安裝面溫度3溫度較低有關(guān)。)。對于導(dǎo)熱墊安裝方式，扭矩為1.2 N·m時，當(dāng)加熱功率為5 W時，熱端安裝面與翅片的最大溫差為1.7 ℃，最小溫差為0.2 ℃，冷端安裝面與翅片的最大溫差為1.8 ℃，最小溫差為0.9 ℃，當(dāng)加熱功率為35 W時，熱端安裝面與翅片的最大溫差為4.1 ℃，最小溫差為1.2 ℃，冷端安裝面與翅片的最大溫差為8.9 ℃，最小溫差為4.5 ℃；對于石墨片安裝方式，扭矩為1.2 N·m時，當(dāng)加熱功率為5 W時，熱端安裝面與翅片的最大溫差為1.5 ℃，最小溫差幾乎為0 ℃，冷端安裝面與翅片的最大溫差為1.4 ℃，最小溫差為1 ℃，當(dāng)加熱功率為35 W時，熱端安裝面與翅片的最大溫差為5.0 ℃，最小溫差為0.7 ℃，冷端安裝面與翅片的最大溫差為5.7 ℃，最小溫差為4.8 ℃。從以上的分析可知，兩種中間填料都使熱管安裝面與翅片間產(chǎn)生了溫差，這個溫差也將影響熱管傳熱系統(tǒng)的傳熱性能，應(yīng)盡量減小該溫差。

圖6 熱端/冷端安裝面與熱管翅片的溫差隨加熱量變化的曲線Fig.6 Temperature difference between hot end/cold end and heat pipe fin curves variation with heat input

在同種安裝方式下，管殼與翅片的溫差隨著加熱量的變化也發(fā)生變化，且冷端管體與翅片的溫差是很明顯的線性變化，如圖7所示。中間填料為導(dǎo)熱墊時， 加熱功率小于20 W時， 熱端管殼溫度1高于翅片溫度2，大于20 W時，熱管管殼溫度1低于翅片溫度2；加熱功率小于15 W時，熱端管殼溫度2高于翅片溫度4，大于15 W時，熱管管殼溫度2低于翅片溫度4；加熱功率小于30 W時，熱端管殼溫度3高于翅片溫度6，大于30 W時，熱管管殼溫度3低于翅片溫度6，雖然出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，但熱管管體與翅片的溫差與冷端相比并不大，均在1 ℃內(nèi)，這也可能是由于管體與翅片測溫所用的傳感器精度不同造成的。中間填料為石墨片時，螺釘使用不同扭矩安裝時，熱端管殼與翅片的溫差1、2隨加熱功率的增大而變大，且熱端管體溫度高于翅片溫度，這與采取石墨片覆蓋在管殼與翅片的安裝方式有關(guān)，由于石墨片與翅片貼合不緊密，造成熱量從中間填料的石墨片流經(jīng)覆蓋在熱管上的薄石墨片，然后傳給殼體，再經(jīng)殼體傳輸?shù)匠崞虼顺崞瑴囟缺裙軞囟鹊?。熱端管殼與翅片的溫差3變化趨勢與其它位置的溫差不同，呈下降趨勢，但溫差在0.8 ℃內(nèi)，這與石墨片的黏貼方式有關(guān)，后面將改進石墨片的安裝方法。由上可知，熱管管殼與翅片的溫差，尤其是冷端管殼與翅片的溫差較大，這將對熱管的整體傳熱產(chǎn)生一定的影響。

圖7 熱管管殼與翅片的溫差隨加熱量的變化曲線Fig.7 Temperature difference between heat pipe shell and heat pipe fin curves variation with heat input

圖8為不同螺栓扭矩下熱管自身溫差隨加熱量的變化曲線。從測試結(jié)果看，無論哪種導(dǎo)熱填料，熱管冷熱端自身的溫差均隨加熱量的增加呈線性增加的趨勢，對于導(dǎo)熱墊情況熱管溫差不大于0.5 ℃，對于石墨片情況熱管溫差不大于1.5 ℃。因此認為在熱管能夠正常工作的情況下，熱管自身的熱阻對該傳熱系統(tǒng)傳熱能力的影響不大。

圖8 不同螺栓扭矩下熱管自身溫差隨加熱量的變化曲線Fig.8 Heat pipe temperature difference curves variation with heat input in different bolted joints torque

在整個研究過程中雖然改變了熱管安裝的螺釘扭矩，但是從試驗結(jié)果的分析來看，螺釘扭矩對各個溫差的影響并沒有那么顯著， 各個溫差隨扭矩的變化趨勢比較分散，這可能與試驗中熱管安裝使用的螺釘尺寸、螺釘間距有關(guān)，在后續(xù)研究中將作進一步的探討。

圖9表示的是不同安裝方式下熱管整個傳熱系統(tǒng)中熱端安裝面與冷端安裝面的溫差，從圖中可以看出，隨著加熱量的增大，熱冷端安裝面的溫差都是逐漸增大的，且對于同一加熱量同一扭矩，使用石墨片可以減小熱冷端安裝面的溫差，最大減少了1.6 ℃，由此可以看出，使用石墨片可以減小從熱源到冷源熱管整個傳熱系統(tǒng)的溫差，因此建議工程上采用石墨片作為熱管安裝的導(dǎo)熱填料。

圖9 熱端安裝面與冷端安裝面溫差隨傳熱量的變化曲線Fig.9 Temperature difference between hot end and cold end mounted interfaces curves variation with heat input

表2表示的是熱管采用石墨片為中間填料時在螺釘扭矩為1.2 N·m、加熱功率為35 W時熱管傳熱系統(tǒng)中各個溫差的分布情況，從表中可以看出，冷端翅片與安裝面溫差最大，對熱管傳熱效果的影響也將很大，熱端安裝面與翅片的溫差、冷端管殼與翅片的溫差也較大，對熱管傳熱的影響也不容忽視，因此在工程應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)改進熱管翅片與安裝面的安裝方法，以減小由于界面間由于不完全接觸而產(chǎn)生的溫差。

表2 各個溫差隨功率變化分布表Table 2 Temperature difference distribution list variation with heat input

6 結(jié) 論

通過對“Ω”形軸向槽道熱管傳熱系統(tǒng)在不同安裝條件和不同熱負荷條件下的傳熱特性測試，獲得以下結(jié)論：

(1)同種安裝條件下，隨著加熱量的增加，熱管安裝面與翅片的溫差、熱管管殼與翅片間的溫差、熱管自身溫差基本都呈線性增加的趨勢。

(2)對于熱管傳熱系統(tǒng)的傳熱特性，用石墨片作為導(dǎo)熱填料比用導(dǎo)熱墊作為導(dǎo)熱填料好。

(3)安裝扭矩的變化對獨立點的溫差影響趨勢比較分散，沒有明顯的規(guī)律，但從整個熱管傳熱系統(tǒng)來看仍然是扭矩越大，溫差越小。

(4)加強接觸面的散熱可有效提高熱管傳熱系統(tǒng)的傳熱能力，降低接觸面的熱阻仍然是工程上努力的方向。

1 張程賓，陳永平，施明恒，等. Ω形微槽熱管傳熱性能的實驗研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2009，30(9)：1534-1536.

Zhang Chengbin，Chen Yongbin，Shi Mingheng，et al.Experimental investigation on heat transfer of heat pipe with axial"Omega"-shaped micro grooves[J].Journal of Engineering Thermophysics，2009，30(9)：1534-1536.

2 姚 峰，陳永平，張程賓，等. Ω形軸向槽道熱管的啟動特性. 工程熱物理學(xué)報，2011，32(12)：2117-2119.

Yao Feng，Chen Yongping，Zhang Chengbin，et al.Startup characteristic of heat pipe with axially "Ω"-shaped grooves[J].Journal of Engineering Thermophysics，2011，32(12)：2117-2119.

3 欒 濤，程 林，曹洪振，等.熱源位置對軸向槽道熱管傳熱的影響[J]. 化工學(xué)報，2007，58(4)：848-853.

Luan Tao，Cheng Lin，Cao Hongzhen， et al. Effects of heat sources on heat transfer of axially grooved heat pipe[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China)，2007，58(4)：848-853.

4 Chena Yongping，Zhanga Chengbin，Shia Mingheng，et al. Study on flow and heat transfer characteristics of heat pipe with axial “Ω”-shaped microgrooves[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52(3-4)：634-643.

5 莫 青，蔡京輝，梁景濤，等.槽道熱管在加快低溫回路熱管主蒸發(fā)器降溫過程中作用的實驗研究[J]. 低溫工程，2005(4)：14-17.

Mo Qing，Cai Jinghui，Liang Jingtao，et al. Investigati on of the performance of an axial-grooved heat pipe as the secondary evaporator of a CLHP[J]. Cryogenics，2005(4)：14-17.

6 張利紅，梁驚濤，巨永林，等. 液氮溫區(qū)小型軸向槽道熱管的實驗研究[J]. 真空與低溫，2003，9(3)：163-166.

Zhang Lihong，Liang Jingtao，JuYonglin，et al. Experimental studies of the small axially grooved heat pipe working at the liquid nitrogen temperature rangge[J]. Vacuum&Cryogenics，2003，9(3)：163-166.

Experimental investigation of heat transfer capability of “Ω” shape axial grooved heat pipe heat transfer system

Han Nali1,2Xu Hongyan1Chen Yueyong1,2Zhang Tian1,2Dong Deping1

(1Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Science，Shanghai 200083，China)(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

An experimental investigation of temperature difference between component elements in “Ω” shape axial grooved heat pipe heat transfer system with different interface conductive materials was carried out under different heat transfer rates to compare the heat pipe temperature difference，the heat transfer temperature difference between both ends of heat pipe fins and mounted interfaces and the temperature difference between wall and fin in different installation situations. The results indicated that both heat resource mounted interface temperature and heat sink mounted interface temperature rises with heat input increasing，and the temperature distribution on the mounted interface is different due to different interface conductive materials. The temperature uniformity is better when graphene sheet is used as the interface conductive material. Nearly every temperature difference rises with heat input increasing.

heat pipe；interface conductive material；heat input；temperature difference

2015-12-07；

2016-02-26

韓娜麗，女，29歲，博士研究生。

TB663

A

1000-6516(2016)02-0038-07