來(lái)源：航天器環(huán)境工程
作者：徐增光，彭毅 ，焦會(huì)馨
摘要：均熱板作為一種高效散熱元件已廣泛應(yīng)用于電子器件的熱管理，其吸液芯的結(jié)構(gòu)形式是均熱板進(jìn)行高效散熱的關(guān)鍵。文章受自然界植物葉片蒸騰作用的啟發(fā)，通過(guò)粉末燒結(jié)形成多孔結(jié)構(gòu)的吸液芯以模仿植物葉脈及葉肉組織，設(shè)計(jì)了以多邊形的邊（VC-B）和以多邊形（VC-G）作為均熱板內(nèi)部支撐兩種吸液芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，并探究充液率以及冷卻水溫度對(duì)均熱板傳熱性能的影響規(guī)律。研究表明：VC-B 均熱板在充液率為 60% 左右時(shí)具有最優(yōu)的傳熱性能，所能承載的最大熱流密度為 120 W/cm2；VC-G 均熱板在冷卻水溫度為 10 ℃ 時(shí)所能承載的最大熱流密度為 130 W/cm2；在較低的冷卻水溫度下，均熱板 的傳熱能力較強(qiáng)，但均溫性較差。仿葉脈均熱板可為大功率、高熱流密度電子設(shè)備的散熱提供有效的解決途徑。關(guān)鍵詞：均熱板 仿葉脈 銅粉燒結(jié) 傳熱性能 實(shí)驗(yàn)研究隨著電子及信息技術(shù)的快速發(fā)展以及航天產(chǎn)品性能要求的不斷提高，航天電子設(shè)備逐漸朝著高性能、高集成和微型化的方向發(fā)展，導(dǎo)致其單位面積熱流密度急劇增加。而電子設(shè)備內(nèi)部熱量聚集 會(huì)顯著降低其工作性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致器件疲勞損傷。因此，如何有效降低電子設(shè)備工作過(guò)程中的高熱流密度至關(guān)重要。液?氣相變作為一種高效的傳熱方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大功率電子元件的熱管理，例如熱管就是一種基于相變傳熱的主動(dòng)冷卻技術(shù)；然而由于接觸面積和傳熱空間的限制， 傳統(tǒng)熱管往往只能實(shí)現(xiàn)一維導(dǎo)熱。基于平面熱管的概念，均熱板提供了一種極具應(yīng)用前景的解決方案。而將均熱板應(yīng)用于高熱流密 度傳熱的關(guān)鍵是不斷提高其內(nèi)部吸液芯的傳熱性能。隨著對(duì)工質(zhì)和吸液芯結(jié)構(gòu)中毛細(xì)流動(dòng)機(jī)理研究的不斷深化，研究人員對(duì)吸液芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)出溝槽吸液芯、粉末燒結(jié)吸液芯及復(fù)合吸液芯等。除此之外，仿生結(jié)構(gòu)也在均熱板吸液芯研究中得到關(guān)注：李錦峰等將蜂巢結(jié)構(gòu)應(yīng)用到均熱板吸液芯中，采用數(shù)值分析方法對(duì)仿蜂巢結(jié)構(gòu)蒸汽通道的蒸發(fā)端吸液芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，仿蜂巢通道為氣液相工質(zhì)提供了多條流動(dòng)路徑，使均熱板具有更優(yōu)異的溫度均勻性和傳熱性能。彭毅等受植物葉片蒸騰作用啟發(fā)，使用化學(xué)刻蝕法制備了一種仿葉脈分形結(jié)構(gòu)的吸液芯；并通過(guò)理論計(jì)算、模擬仿真以及實(shí)驗(yàn)分析等方法對(duì)均熱板傳熱性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明仿葉脈分形結(jié)構(gòu)均熱板具有優(yōu)異的傳熱性能?；谥参锶~脈分形仿生的思路，研究人員陸續(xù)進(jìn)行了大量的研究，但是已有的研究中均熱板所能承載的熱流密度仍然偏小。因此，通過(guò)探索植物葉片的傳熱傳質(zhì)機(jī)制，優(yōu)化吸液芯結(jié)構(gòu)，改善均熱板的結(jié)構(gòu)特征從而提高其所能承載的熱流密度，仍是研究人員亟需解決的難題。基于平面熱管的概念，均熱板提供了一種極具應(yīng)用前景的解決方案。而將均熱板應(yīng)用于高熱流密度傳熱的關(guān)鍵是不斷提高其內(nèi)部吸液芯的傳熱性 能。隨著對(duì)工質(zhì)和吸液芯結(jié)構(gòu)中毛細(xì)流動(dòng)機(jī)理研究的不斷深化，研究人員對(duì)吸液芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)出溝槽吸液芯、粉末燒結(jié)吸液芯及復(fù)合吸液芯等。除此之外，仿生結(jié)構(gòu)也在均熱板吸液芯研究中得到關(guān)注：李錦峰等將蜂巢結(jié)構(gòu)應(yīng)用到均熱板吸液芯中，采用數(shù)值分析方法對(duì)仿蜂巢結(jié)構(gòu)蒸汽通道的蒸發(fā)端吸液芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，仿蜂巢通道為氣液相工質(zhì)提供了多條流動(dòng)路徑，使均熱板具有更優(yōu)異的溫度均勻性和傳熱性能。彭毅等受植物葉片蒸騰作用啟發(fā)，使用化學(xué)刻蝕法制備了一種仿葉脈分形結(jié)構(gòu)的吸液芯；并通過(guò)理論計(jì)算、模擬仿真以及實(shí)驗(yàn)分析等方法對(duì)均熱板傳熱性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明仿葉脈分形結(jié)構(gòu)均熱板具有優(yōu)異的傳熱性能。基于植物葉脈分形仿生的思路，研究人員陸續(xù)進(jìn)行了大量的研究，但是已有 的研究中均熱板所能承載的熱流密度仍然偏小。因此，通過(guò)探索植物葉片的傳熱傳質(zhì)機(jī)制，優(yōu)化吸液芯結(jié)構(gòu)，改善均熱板的結(jié)構(gòu)特征從而提高其所能承載的熱流密度，仍是研究人員亟需解決的難題。本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)植物網(wǎng)格狀葉脈進(jìn)行仿生，將蒸發(fā)端的吸液芯設(shè)計(jì)為仿植物網(wǎng)狀葉脈結(jié)構(gòu)，冷凝端通過(guò)燒結(jié)粉末形成吸液芯結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩種新型的均熱板吸液芯結(jié)構(gòu)：一種以多邊形葉脈作為均熱板內(nèi)部支撐以及工質(zhì)回流通道，多邊形作為蒸汽腔（VC-B）；另一種以多邊形作為支撐結(jié)構(gòu)和工質(zhì)回流通道，多邊形葉脈作為蒸汽腔（VC-G）。然后對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，并探究充液率以及冷卻水溫度對(duì)均熱板傳熱性能的影響規(guī)律。本研究在模擬中對(duì)植物葉脈系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化， 如圖 1 所示。為了防止均熱板在抽真空后出現(xiàn)變 形，需要用支撐柱在內(nèi)部對(duì)均熱板進(jìn)行支撐。本研究設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀葉脈結(jié)構(gòu)使支撐柱與吸液芯合構(gòu)為一 體，起到支撐作用的同時(shí)為工質(zhì)回流提供通道，并可實(shí)現(xiàn)氣液分離。多邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)泰森多邊形隨機(jī)生成，用來(lái)模擬植物網(wǎng)狀葉脈，葉脈的寬度為 2 mm，高度為 1 mm；用多邊形網(wǎng)狀葉脈中間的燒結(jié)粉末來(lái)模擬葉肉組織。均熱板的冷凝端和蒸發(fā)端殼板均為 1 mm 厚的紫銅板，充液管為外徑 3 mm、壁厚 0.5 mm 的紫銅管，直接焊接在殼體上。均熱板整體尺寸為 74 mm×74 mm×5 mm，內(nèi)部吸液芯與蒸汽 腔的厚度為 3 mm。圖 1 植物葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型本研究中均熱板的吸液芯采用銅粉燒結(jié)形成， 需要在石墨板上加工出吸液芯的燒結(jié)模具?？紤]到均熱板吸液芯內(nèi)部流通與毛細(xì)力的平衡，選取 200 目的純銅粉（粒徑約為 75 μm）均勻填充到石墨模具中，再放入真空熱壓爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 840 ℃。燒結(jié)出的吸液芯樣品如圖 2 所示，將它們組裝為基于植物網(wǎng)狀葉脈仿生的均熱板，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。圖 3 基于網(wǎng)狀葉脈的仿生均熱板結(jié)構(gòu)示意實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖 4 所示，主要包括加熱模塊、冷卻模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和升降模塊。加熱模塊由加熱棒、加熱塊、保溫盒、直流電源及功率儀組成。加熱塊材料為純銅，用于模擬熱源；采用隔熱材料制作保溫盒，并在保溫盒與加熱塊之間填充保溫棉，以減小熱量損失、降低實(shí)驗(yàn)誤差。為減小接觸熱阻，在加熱塊與均熱板之間以及均熱板與水冷板之間涂抹導(dǎo)熱系數(shù)為 6.0 W/(m·K) 的導(dǎo)熱硅脂。冷卻模塊采用型號(hào)為 DC0530 的智能恒溫水浴槽外接水冷板，恒溫水浴槽的溫度控制范圍為-5～100 ℃，冷卻水流量為 13 L/min。數(shù)據(jù)采集模塊由 K 型熱電偶、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)組成。升降模塊主要用來(lái)夾緊均熱板，以減小測(cè)試過(guò)程中的接觸熱阻。圖 4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)為了研究均熱板在不同熱流密度下的熱阻以及均溫性能，測(cè)試時(shí)首先啟動(dòng)加熱模塊為均熱板加熱，啟動(dòng)功率為 10 W，并記錄均熱板各測(cè)試點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)。其中加熱塊（尺寸為 10 mm ×10 mm）及測(cè)溫?zé)犭娕嫉牟贾萌鐖D 5 所示。按照梯度 10 W 調(diào)節(jié)熱源功率，直到熱源溫度達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)停止測(cè)試。另外，可通過(guò)恒溫水浴槽的溫度調(diào)節(jié)，研究均熱板在不同冷卻水溫度下的傳熱性能。當(dāng)電子元器件溫度超過(guò) 85 ℃ 時(shí)，其工作性能就會(huì)急劇下降。因此，本研究中將熱源溫度設(shè)定 為 85 ℃。為了評(píng)價(jià)均熱板的傳熱性能，設(shè)定均熱板整體熱阻 RVC、冷凝端表面最大溫差 ΔTc，max 以 及蒸發(fā)端與冷凝端平均溫差 ΔTe, c 為評(píng)價(jià)參數(shù)，分別定義為：式 (1)～(3) 中：Te, ave 和 Tc, ave 分別為均熱板蒸發(fā)端和冷凝端測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度；Q 為輸入功率。改變測(cè)試條件，記錄仿葉脈均熱板各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化，并對(duì)均熱板熱阻、冷凝端表面最大溫差以及蒸發(fā)端與冷凝端平均溫差進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)討論均熱板在不同充液率、熱流密度和冷卻水溫度下的傳熱性能。2.1 結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能的影響兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻如圖 6(a) 所示 ，在 10 ℃ 冷卻水溫度下，兩種均熱板均能承載 120 W/cm2 的高熱流密度，說(shuō)明本研究中吸液芯擁有的多孔結(jié)構(gòu)可以為工質(zhì)提供大量的汽化核心，強(qiáng)化沸騰傳熱，提升均熱板的傳熱性能；但 VC-G 均熱板的熱阻整體低于 VC-B 均熱板的，且 VC-G 均熱板在 10 ℃ 的冷卻水溫度下所能承載的最大熱流密度為 125 W/cm2 ，當(dāng)熱流密度為 120 W/cm2 時(shí) VC-G 均熱板的熱阻最低僅為 0.118 8 ℃/W。其原因主要為 VC-G 均熱板的冷凝端具有流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)以及更密集的回流通道，當(dāng)蒸汽在冷凝端釋放潛熱凝結(jié)成液體時(shí)能夠更加快速地回到蒸發(fā)端，即 VC-G 均熱板的內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)速率更快，更有利于熱量的傳遞， 因此熱阻更低。圖 6 冷卻水溫度為 10 ℃ 下兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻及冷凝 端表面最大溫差對(duì)比為對(duì)比評(píng)價(jià)均熱板的均溫性能，選取兩種結(jié)構(gòu)的均熱板樣品，并將充液率控制在 60% 左右，比較它們?cè)?10 ℃ 冷卻水溫度下的冷凝端表面最大溫差 ΔTc, max，結(jié)果如圖 6(b) 所示。熱負(fù)荷啟動(dòng)后，VC-B 和 VC-G 均熱板的冷凝端表面最大溫差均隨著熱流密度的增大而增加，不 同熱流密度下 VC-B 均熱板的冷凝端表面最大溫差均低于 VC-G 均熱板的，且前者隨著熱流密度的增大而增加的速度低于后者。這是由于 VC-G 均熱板內(nèi)部蒸汽腔的體積小于 VC-B 均熱板的，導(dǎo)致工質(zhì)受熱蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽不能在 VC-G 均熱板蒸汽腔內(nèi)均勻分布，造成局部高溫。再對(duì)比 40 ℃ 冷卻水溫度下兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻及冷凝端表面最大溫差，結(jié)果如圖 7 所示，發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)均熱板這兩項(xiàng)參數(shù)的變化均與 10 ℃ 冷卻水溫度下的表現(xiàn)一致。表明兩種結(jié)構(gòu)擁有各自的優(yōu)勢(shì)：VC-G 均熱板可以承載更大的熱流密度，但均溫性較差；VC-B 均熱板則與之相反。圖 7 冷卻水溫度為 40 ℃ 下兩種結(jié)構(gòu)均熱板的熱阻及冷凝 端表面最大溫差對(duì)比研究表明充液率對(duì)均熱板的傳熱性能有很大影響：低充液率可能導(dǎo)致較低的極限熱流密度，而較高充液率可能會(huì)降低均熱板的傳熱效率。圖 8(a)為 VC-B 均熱板在 10 ℃ 冷卻水溫度、不同充液率下的熱阻，可以看到：充液率 40.11% 的均熱板熱阻最大，極限熱流密度最低，為 100 W/cm2 ；在熱流密度小于 35 W/cm2 時(shí)，充液率為 48.51% 的均熱板熱阻最小；而在較高熱流密度下，充液率為 60.82% 的均熱板熱阻最小，可低至 0.128 3 ℃/W，此時(shí)承載的最大熱流密度為 120 W/cm2。即在實(shí)驗(yàn)工況內(nèi)， VC-B 均熱板的最佳充液率約為 60%，這與文獻(xiàn)[17]給出的結(jié)論一致。分析是由于充液率較低時(shí)，均熱 板在低熱流密度下啟動(dòng)更快；而當(dāng)熱流密度繼續(xù)增加時(shí)，低充液率的均熱板會(huì)出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，其內(nèi)部難以形成完整的汽?液循環(huán)，將增大熱阻。而當(dāng)充液率高于最佳值時(shí)，液體會(huì)在蒸發(fā)端積聚堵塞吸液芯孔隙，導(dǎo)致均熱板的熱阻增大，傳熱效率降低；同時(shí)，多出的工質(zhì)會(huì)被蒸汽上升攜帶而影響工質(zhì)回流，而且蒸發(fā)端工質(zhì)層較厚，蒸發(fā)熱阻變大，難以形成核沸騰，即相變受限。圖 8 冷卻水溫度為 10 ℃、不同充液率條件下 VC-B 均熱 板的熱阻及蒸發(fā)/冷凝端平均溫差隨熱流密度的變化圖 8(b) 為 VC-B 均熱板在 10 ℃ 冷卻水溫度、 不同充液率下的蒸發(fā)端與冷凝端平均溫差（ΔTe, c）。可以看到，隨著熱負(fù)荷功率的增加，ΔTe, c 逐漸增大。當(dāng)熱源溫度接近 85 ℃ 時(shí)，充液率為 60.82% 的均熱板的 ΔTe, c 的上升速率最小，充液率為 40.11% 的均熱板的 ΔTe, c 的上升速率最大。即低充液率的均熱板相比于高充液率的在高熱流密度下 ΔTe, c 的增速更快。分析其原因，可能是充液率較低時(shí)，均熱板內(nèi)部汽化的蒸汽滿足不了正常在整個(gè)腔體內(nèi)循環(huán)傳熱的最小值，使均熱板出現(xiàn)局部過(guò)熱、局部過(guò)冷的溫度分布不均衡情況，從而出現(xiàn)熱源溫度過(guò)高，蒸發(fā)端與冷凝端溫差急劇增大；當(dāng)充液率增大，熱負(fù)荷啟動(dòng)初期，多余的工質(zhì)阻礙了液體和蒸汽在蒸發(fā)區(qū)的流動(dòng)，而隨著熱流密度的增加，更多的工質(zhì)參與相變進(jìn)行傳熱，均熱板中蒸汽和液體的流動(dòng)效率得到增強(qiáng)。2.3 冷卻水溫度對(duì)于均熱板傳熱性能的影響為了研究冷卻水溫度對(duì)均熱板傳熱性能的影響，選取充液率為 66.47% 的 VC-G 均熱板，通過(guò)控制智能恒溫水浴槽對(duì)其在不同冷卻水溫度下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖 9 所示。圖 9 不同冷卻水溫度下 VC-G 均熱板（充液率為 66.47%） 的熱阻與冷凝端表面最大溫差隨熱流密度的變化由圖 9 可以看出，冷卻水溫度為 10 ℃ 時(shí)，VC-G 均熱板所能承載的最大熱流密度為 130 W/cm2 ；當(dāng)冷卻水溫度逐漸升高時(shí)，均熱板所能承載的最大熱流密度依次降低。在 10 ℃ 冷卻水溫度下，熱流密度為 110 W/cm2 時(shí)，VC-G 均熱板的熱阻達(dá)到最低， 為 0.109 1 ℃/W。冷卻水溫度為 20 ℃ 和 30 ℃ 時(shí)，均熱板的熱阻變化趨勢(shì)幾乎一致，說(shuō)明在該溫度范圍內(nèi)冷卻水溫度對(duì)均熱板的傳熱性能影響較小。當(dāng)冷卻水溫度為 40 ℃ 時(shí)，均熱板的熱阻低于冷卻水溫度為 20 ℃ 和 30 ℃ 時(shí)的，其原因可能是溫度升高使均熱板內(nèi)部工質(zhì)的黏度降低，提高了工質(zhì)在均熱 板內(nèi)部的流動(dòng)性，從而提高了均熱板的換熱效率。均熱板的均溫性能表現(xiàn)（如圖 9(b) 所示）可以給出類似的解釋——當(dāng)冷卻水溫度升高時(shí)，均熱板內(nèi)部工質(zhì)黏度降低，更有利于工質(zhì)均勻分布在蒸發(fā) 端；當(dāng)熱負(fù)荷啟動(dòng)，蒸發(fā)端的工質(zhì)均勻受熱蒸發(fā)，冷凝端表現(xiàn)出更好的溫度均勻性。為全面了解本研究設(shè)計(jì)的 VC-G 均熱板的傳熱性能，與其他同類研究進(jìn)行了比較分析，歸納如表 1 所示。為方便敘述，本文以編號(hào) 1～3 指代其他研究及其設(shè)計(jì)的均熱板。由表 1 可以看到：與研究 1 相比較，VC-G 均熱 板在 5 mm 的厚度（約為研究 1 中均熱板厚度的 2 倍）下仍然可以承載 130 W/cm2 熱流密度，且最低熱阻達(dá)到 0.109 1 ℃/W。研究 2 中均熱板屬于混合型傳熱，冷卻水通道嵌入蒸汽腔中，雖然具有更低的熱阻，但尺寸較大，且在最大熱流密度時(shí)，熱源溫度為 95.25 ℃（高于 VC-G 均熱板的 85 ℃）；此外， 研究 2 中均熱板需要額外的能量輸入，成本更高。相較于研究 3，VC-G 均熱板所能承載的最大熱流密度和最低熱阻等傳熱性能指標(biāo)均更優(yōu)。本文設(shè)計(jì)了兩種均熱板結(jié)構(gòu)，對(duì)比了它們的傳熱性能，并研究了不同充液率以及冷卻水溫度下均 熱板的傳熱情況，得出以下結(jié)論：1）銅粉燒結(jié)式的仿生網(wǎng)狀葉脈吸液芯結(jié)構(gòu)擁有的多孔結(jié)構(gòu)可以為工質(zhì)提供大量的汽化核心，強(qiáng)化沸騰傳熱，同時(shí)多邊形葉脈作為支撐結(jié)構(gòu)為工質(zhì)提供了大量回流通道，且能夠?qū)崿F(xiàn)氣液分離，使均熱板表現(xiàn)出良好的傳熱性能。VC-G 相較于 VC-B 結(jié)構(gòu)傳熱性能表現(xiàn)更為優(yōu)異。2）充液率會(huì)對(duì)均熱板傳熱性能產(chǎn)生較大的影響，過(guò)高或過(guò)低的充液率都會(huì)降低均熱板的傳熱效 率。VC-B 均熱板在充液率 60% 左右時(shí)傳熱性能最優(yōu)，所能承載的最大熱流密度為 120 W/cm2。3）冷卻水溫度對(duì)均熱板傳熱性能具有重要的影響，過(guò)低的冷卻水溫度會(huì)導(dǎo)致均熱板表面均溫性下降，但熱阻整體較低。VC-G 均熱板在 10 ℃ 冷卻水溫度下所能承載的熱流密度最大為 130 W/cm2 ， 熱阻最低為 0.109 1 ℃/W。綜上，本研究設(shè)計(jì)的 VC-G 均熱板與其他同類研究相比，綜合傳熱性能指標(biāo)展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，具有實(shí)用價(jià)值。
標(biāo)簽：
散熱器 點(diǎn)擊：
版權(quán)聲明：除非特別標(biāo)注，否則均為本站原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載時(shí)請(qǐng)以鏈接形式注明文章出處。
