浸润性对沟槽平板微热管传热性能的影响_陈鑫.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：陈鑫（），男，硕士，研究方向为微热管传热性能，电话：，：；赵振刚，男，博士，副教授，通信联系人，：。浸润性对沟槽平板微热管传热性能的影响陈 鑫，邓 发，赵振刚，（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明；云南省绿色能源与数字电力量测及控保重点实验室，云南 昆明）摘要：对于沟槽平板微热管，浸润性是影响其传热性能的重要因素。为研究沟槽平板微热管管壳内壁浸润性对传热性能的影响，文中使用机械加工的方法在管壳内壁打磨出沟槽，以甲醇为工质，通过控制化学刻蚀时间，制备出全管壳接触角约为、的管壳内壁。将此结构引入沟槽平板微热管中，对其进行了传热性能实验和试样表面的表征。实验结果表明：当接触角为、输入功率为 时，沟槽平板微热管的传热性能最好，其传热热阻比接触角为 的沟槽平板微热管减小了 。还发现沟槽平板微热管全管内壁接触角过小，会导致绝热段工质流速减慢，从而影响传热性能。关键词：平板微热管；沟槽；管壳；浸润性；传热性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，.，：；随着微电子技术快速发展，集成化、微型化已成为电子设备的新发展趋势。目前，越来越多的电子器件集成在小巧的设备中来实现多种功能，高集成、高封装密度以及高工作频率随之带来工作器件的散热问题。研究表明，当电子器件长时间处于高温工作状态，其可靠性会出现明显下降。为使设备高效稳定工作，这就要求对应的散热装置传热高效、体积微小，及时将设备产生的热量有效地带走。化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：电子设备散热通常采用热管技术、浸没式相变散热、喷雾冷却技术等。热管技术具有制作简易、价格低廉、传热性能好等优点，已广泛应用在宇航、军工、电子元件等领域，是现阶段应用在狭窄空间散热的方案。热管因实际的工作条件可制作成不同的形状如平板热管、环路热管、脉动热管等，常用于解决电子散热。平板热管结构中，管壁不仅直接与外部热源接触，而且为工质的蒸发、冷凝提供真空场所，所以管壳的材料、厚度、粗糙度都影响着平板热管的传热性能。近年来，国内外学者对平板热管管壳进行了大量研究。等研究得出，铜、铝和不锈钢是最常见的热管壳体材料。试验温度 中，热管内部形成了真空环境，工作时热阻较低，考虑壳体的重量和强度时，可分别使用铝材和不锈钢作为平板热管的壳体材料。等使用 激光技术制作出铝材微槽道平板热管，在充液率为 时，其传热性能最优。应用于 灯热管理中，灯泡温度稳定在 ，灯使用寿命得到了延长。等使用铜材料制作出长宽比约为 的平板热管，对热管进行了传热性能实验，使用 层超亲水的铜丝网叠在一起作为吸液芯，当热流密度为 时热管出现最小热阻。而沟槽热管吸液芯与管壳为一整体，等通过化学蚀刻在平板热管的蒸发段内表面上形成疏水结构，冷凝段表面形成亲水结构。通过实验对比得出，蒸发段为疏水结构的平板热管，热流密度为 时出现局部烧干现象，且热管内部温度分布不均匀。等通过实验比较氧化和未氧化的烧结吸液芯，氧化后铜网表面形成微粗结构形貌，增强了表面亲水性，从而提高了铜网毛细管的毛细性能。热管管壳的研究从材料的选择到内壁的亲疏水性改进。可见，管壳表面浸润性是影响平板热管传热性能的重要因素之一，而改变表面浸润性的方法有化学气相沉积、化学刻蚀法、激光刻蚀技术等方法。文中使用机械加工在管壳内壁制作出沟槽，通过控制化学刻蚀时间制作出全管壳内壁表面浸润角约为、的沟槽平板微热管。通过实验分析不同浸润性的管壳对沟槽平板微热管传热性能的影响，为后续的沟槽热管管壁设计提供参考依据。制备与表征 沟槽平板微热管的制备本次实验中，管壳采用纯铜，工质采用甲醇溶液，具体制作流程如图 所示。图 平板微热管制作流程 首先使用 数控机床按尺寸 加工出 组管壳，使用机械加工在管壳内部加工出沟槽。由于制作出的管壳表面存在油污、灰尘、锈等杂质，使用化学试剂去油污，酸性试剂除锈。清洗过程如下：将管壳放入乙醇溶液中，使用超声清洗，取出后用去离子水清洗；随后放入稀盐酸溶液，超声清洗 ，再用去离子水清洗；最后，将管壳放入 的烘干箱中 。为防止油污破坏管壳内壁表面浸润性，整个操作过程使用镊子接触工件。化学刻蚀时，为防止溶液与管壳外壁发生氧化反应，使用石蜡涂覆管壳体外侧。随后，将管壳内壁朝上放于玻璃容器底部，使用玻璃器皿盖住容器口，放置于 的鼓风干燥箱内。利用管壳内壁与溶液的反应时间不同，在管壳内壁形成不同大小的接触角。使用焊料（锡膏）焊接。组管壳的焊接带打磨干净后镀上一层焊料，在 的加热板上将锡膏加热封装。将注射工质针头插入充液孔，使用强力胶粘住并风干 ，随后把微热管放入水中，通过注射器针头注入空气来检查气密性。使用真空泵对微热管内部抽真空，待真空泵的指针稳定且不回转，按充液率，将定量甲醇溶液通过注射器针头注入微热管内，随后使用铸工胶密封。最后进行密封性测试，将制备完成的微热管放于 的温水中，检查周围是否有气泡，无气泡冒出则气密性良好，平板微热管制备完成。试样表征按照 节管壳制作流程制备试样，观察管壳内壁表面变化。由润湿性理论可知，表面微观形貌和化学组成共同决定了固体表面的润湿性。使用制作热管的铜片制备了 块试样，试样 未对铜片进行任何处理，试样、均在管壳内壁加工出相同陈 鑫等 浸润性对沟槽平板微热管传热性能的影响 投稿平台：的沟槽，试样 化学刻蚀 ，试样 化学刻蚀 。试样如图 所示。图 试样实物 观察图，纯铜表面随着化学刻蚀时间的延长，表面出现发黑现象。试样表面扫描电镜图如图 所示。从图 可以看出，铜片表面经机械打磨后，平坦光滑的铜表面出现细小沟槽。经化学刻蚀后，铜片表面沟槽显得杂乱，随着化学刻蚀时间延长，表面显得更加粗糙。图 铜片表面扫描电镜图 采用接触角测量仪对试样表面的接触角进行测定。表面的接触角用水衡量，液滴体积为 ，取同一试样不同位置对接触角进行测量，结果如图 所示。从图中可以直观地观察到接触角越小，液体铺展在管壳壁上的面积越大，润湿能力越强。对比图（）和（）可知，管壳未经化学刻蚀，内壁表面的接触角基本不受表面粗糙的影响。化学刻蚀后，管壳内壁刻蚀 、的静态接触角 分别约为、。图 铜片表面静态接触角 实验 测试系统实验部分分为蒸发段、绝热段和冷凝段，其长度分别是 、。搭建实验平台来检测微热管的传热性能，如图 所示。图 实验装置示意图 测试平台由加热单元、冷却单元、数据采集单元 部分组成。加热单元由加热块和直流电源组成，直流电源通过调整电压大小改变功率的输入，冷却单元由冷却块、流量计和恒温水浴组成。冷却块是一个内部有空腔的铜块，循环水从内部流过；数据采集单元由温度巡检仪、端和 个 热电阻组成。个 热电阻编号为。、用于检测蒸发段的温度，用于检测绝热段的温度，、用于检测冷凝段的温度。实验时，加热块、冷却块、热电阻与热管的间隙涂覆一层导热硅脂，来减小接触热阻，使用石棉包被来减少热损失，从而减小测量的误差。冷却化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：水流量设置为 ，恒温水浴设置为 ，热电阻功率从 开始，功率每次递增 ，个测量点温差在 范围内超过 ，分别记录当前温度，当微热管蒸发段温度与冷凝段温度相差 以上时停止测量。数据处理和不确定性分析为避免实验条件和周围环境对测试的干扰，需对所得的实验数据进行处理和分析研究。衡量平板微热管的均温性需要以下 个参数：蒸发段均温、冷凝段均温、轴向工作温差 和热阻。、分别由、和、热电偶分别测量获得。指蒸发段与冷凝段均温间的差值，的大小表征相变换热在微热管换热中所占比重的大小，差值越小则换热效果越好。（）（）（）（）（）热阻 的大小用来判断传热性能优劣，其定义式如下：（）因测量值与实际值存在偏差，对测量的不确定度进行分析。实验中测量的不确定度主要来自加热单元与数据采集单元，加热单元中直流电源提供的加热功率不确定度为 ，数据采集单元中热电偶测温误差引起的不确定度为 ，依据公式（）计算，本次实验热阻的不确定度为 。（）（）式中：为 的测量误差，为 给定函数，为每个变量 的最大测量误差。结果与讨论 接触角对沟槽微热管传热性能的影响管壳内壁表面不同大小接触角 对微热管传热性能的影响如图 所示，随着加热功率增加，微热管蒸发段、绝热段、冷凝段温度均升高。因受热源距离的影响，相同加热功率下，蒸发段、绝热段、冷凝段的温度呈现依次降低现象。图 各段壁面温度分布随加热功率的变化 图（）比图（）的微热管壳内壁多了沟槽，两者的浸润角相差较小，呈现出的温度变化折线图基本相似。其原因可能是，加工出的沟槽较小地改陈 鑫等 浸润性对沟槽平板微热管传热性能的影响 投稿平台：变管壳内壁的接触角与毛细力。图（）和（）的管壳内壁化学刻蚀后浸润角分别约为、，其蒸发段与冷凝段、绝热段与冷凝段的管壁温差明显减小，换热性能显著增强。从接触角的定义可知，接触角越小，液滴与固体表面的接触面积越大。因此，管壳内壁接触角越小，沟槽微热管内部工质与壳体之间的接触面积越大，换热面积也增大，导致微热管内部各部分之间的温差较小。加热功率变化下不同接触角的微热管蒸发段和冷凝段的温差如图 所示，从图中可发现，管壳内壁经化学刻蚀后的沟槽微热管，换热性能优于接触角较大的微热管。随着管壳表面接触角从 逐步减小到，微热管换热性能显著增强。图 不同加热功率下蒸发段和冷凝段的温差 接触角对沟槽微热管热阻的影响图 是管壳内壁表面不同大小接触角微热管的热阻随加热功率变化的温度分布图。从图中可以发现，接触角减小后，沟槽微热管的热阻明显变小，换热性能显著增强。图 不同加热功率下的热阻分布 接触角约为 的微热管，管壳内壁未经任何处理，通过观察图 知，当加热功率到 时，热阻随加热功率的增加而缓慢增大，说明微热管出现烧干现象。与管壳内壁接触角约为 的沟槽微热管热阻阻值变化比较得出，内壁上的沟槽是影响换热性能的因素。管壳内壁加工出的沟槽虽对接触角的改变较小，但影响工质液体的回流速率，使得沟槽微热管传热极限提高。接触角约为 沟槽微热管的热阻，随着加热功率升高而逐渐降低，其运行状态、换热性能良好。而接触角约为 的沟槽微热管，加热功率 后，热阻随加热功率增加而逐渐增大，说明出现烧干现象。分析其原因：液滴接触角越小，其换热面积越大导致热流密度变小，所以沟槽微热管呈现出较小的热阻。但在绝热段，工质换热面积变大，气液界面的剪切力也增大，可能导致工质从冷凝段回流至蒸发段的速率减慢，造成蒸发段出现烧干现象。结论（）影响该沟槽微热管传热性能的主要因素之一是管壳内壁的接触角。经化学刻蚀后的管壳，在加热功率 到 之间，管壳内壁接触角为的沟槽微热管传热热阻，换热性能，优于管壳内壁接触角为 的沟槽微热管。（）全管接触角为 左右时，沟槽微热管传热性能最优。当输入功率为 时，其传热热阻比接触角为 的沟槽微热管减小了 。（）沟槽微热管全管内壁接触角过小，其绝热段因工质与管壁过大的换热面积，可能使管内工质流速减慢，导致蒸发段烧干，从而削弱了沟槽微热管的传热性能。参考文献：，：，（）：，：，（）：化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：，：，：周年勇，徐慕豪，冯浩，等 闭式喷雾冷却的瞬态传热过程研究 化工学报，（）：黄浩东，赵雨亭，马瑞鑫，等 平板热管测试系统加热面设计与优化 化学工程，（）：，：王迅，李月月 甲醇水溶液脉动热管启动特性研究 化学工程，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：广告索引华陆工程科技有限责任公司封面华陆工程科技有限责任公司封二、前插 化学工程移动办公上线前插 评化学化工基础英语前插 评复合材料细观结构与力学性能分析前插 评化工产品营销实务前插 评化工技术经济前插 评化工英语阅读教程前插 评化学物质管理法规前插 评化工专业英语前插 评特种及功能水泥基材料前插 天津市新天进科技开发有限公司前插 上海化工研究院国家高效分离塔填料及装置 技术研究推广中心前插 苏州安特威阀门有限公司前插 化学储能技术综合学科人才培养教学方案 设计探索后插 化工企业建设中法律制度的完善和探究后插 化学工程期刊编委会封三华陆工程科技有限责任公司封