环路热管系统散热性能的试验研究

环路热管系统散热性能的试验研究

随着电子技术和微控制技术的快速发展，人们对电子设备的发热需求不断提高。环路热管的启动及正常运行性能是评判一台环路热管性能优劣的关键标准。Li等环路热管的启动性能和环路热管的倾斜角度、工质充液率、加热功率、毛细芯等因素有关本文制备了一套以水为工质的环路热管系统,设计并进行了试验。通过改变工质充液率、倾斜角、加热功率以及冷却水流量,收集不同工况下环路热管运行的温度数据并进行分析,得到各个参数对环路热管工作性能的影响,以及各个参数之间的相互影响程度。1测试方法1.1储液腔范围和结构设计了一套环路热管系统,如图1所示。采用水作为环路热管系统的工质。热管的主要材质是紫铜,其导热系数为380W/(m·K)。蒸发器和气体管路、气体管路和冷凝器、冷凝器和液体管路、液体管路和蒸发器之间全部由气焊的方式焊接在一起,保证了环路热管的密封性。蒸发器为方形结构,如图2所示。蒸发器上方是储液腔,上方中心连接液体管路,接口为圆形。储液腔下方依次为多孔隔板、毛细芯和凸台结构。蒸发器的最底端是换热面,为0.07m×0.07m的正方形,和热源直接接触并吸收热量。蒸发器侧面有一侧中心连接气体管路,接口为圆形。蒸发器中为毛细芯预留0.04m×0.03m×0.004m的空间。采用500目的316材质不锈钢丝网,层层叠加,组成毛细芯,充满整个预留空间。冷凝器采用套管水冷方式,逆流换热。其内部工质管路截面为圆形,管径为0.003m,外部套管的截面为圆形,管径为0.004m,冷凝器段管路总长度为0.69m。热源系统采用加热板电加热的方式。加热板为内外2层,内层为云母片,外层包裹着一层不锈钢层。整个加热板面积为0.07m×0.07m,厚度约为0.004m。在220V的通电条件下,加热功率能够达到140W。由于该加热板仅有单一加热功率,为了实现不同功率的加热条件,使用信号发生器与继电器,对加热功率进行调节。将信号发生器接在继电器的一边,另一边与加热片并联。当信号发生器发出方波时,调节信号占空比,就可以实现对加热板加热功率的控制。为防止热量散失,试验过程中使用聚乙烯泡沫塑料对环路热管管路及蒸发器进行了包裹。1.2热源的加热功率试验选用J型热电偶作为温度传感器采集温度数据。热电偶正极的材质为铁,负极的材质为铜镍,使用的温度范围为0—750℃。环路热管系统的温度采样后,通过安捷伦34972A数据采集器将数据传输到计算机中。如图3所示,整个环路热管一共布置了10个热电偶,分别测量蒸发器入口端的温度、蒸发器储液腔壁面的温度、热源端的温度、蒸发器出口端的温度、冷凝器入口端的温度、冷凝器出口端的温度、冷却水入口端的温度、冷却水出口端的温度、对照组热源端的温度和测量室内环境温度。已知环路热管系统的工质充液率(管路中工质所占的体积分数)在36.2%至80.8%范围内时,系统即可以正常启动和运行。热源的加热功率也会影响环路热管的工作性能。若加热功率过小,换热界面接收到的热量较少,热量不足以使毛细芯底端的液态工质蒸发,使系统运行效果不佳甚至无法启动;若加热功率过大,换热界面接收到的热量较多,可能会超过环路热管系统散热功率上限。冷凝器冷源为自来水,通过控制自来水流量来控制冷凝器的冷却能力。环路热管的热阻按照下式计算:=Δ式中:试验时,先接通加热板电源,通过信号发生器输出的占空比信号来控制加热板功率。待热电偶测量的温度达到稳态后,停止测量并保存数据。为保证试验结果的准确性,降低随机误差对结果的影响,对相同参数的工况每组进行了3次试验,取其平均值。2结果与讨论2.1工质及工质流动阻力将充液率为40%,50%,60%和70%的工况下试验结果汇总为图4。充液率的不同影响的是环路热管系统内部冷凝器中的工质气液两相分界面的位置。若环路热管系统中充液率较多,冷凝器中的工质气液两相分界面靠近冷凝器的入口端,气态工质能够更快地冷凝成液态工质,然而液态工质流动遇到的阻力要大于气态工质流动的阻力;若环路热管系统中充液率较少,冷凝器中的工质气液两相分界面靠近冷凝器的出口端,气态工质流动的阻力要小于液态工质流动的阻力,但气态工质冷凝成液态工质的速度较慢。试验结果显示在充液率为50%至60%的工况下,环路热管的热阻最小,运行性能最好。2.2试验结果的分析先将蒸发器水平放置,开启加热板进行加热,待环路热管系统稳定工作后开始记录温度数据,经过一段时间后改变倾斜角的度数,从水平放置的蒸发器改变成倾斜角为30°,再改变成60°和竖直放置,记录一段时间后停止记录数据。将试验结果整理为图5。从试验结果看,当倾斜角为60°左右时,换热界面温度为46℃,环路热管系统的散热性能最佳。倾斜角对环路热管系统的影响主要是两个方面:一方面环路热管系统内部液态工质由于重力的作用会产生向下流动的趋势,存在倾斜角可能使得液态工质在系统内液体管路内的流动增强,有利于工质在环路热管系统内的循环,同时环路热管系统内部气态工质由于倾斜角的存在使得流动的路径更加明确,有利于工质在环路热管系统内的循环;另一方面,倾斜角的存在使得蒸发器内毛细芯内部的液态工质的流动受到了一定的影响,减弱了重力对液态工质在毛细芯内部流动的作用效果。2.3段时间后加热板功率开启140W的加热板,首先输出占空比为30%的信号到继电器,使得加热板的功率为42W,待到系统稳定后开始读数,过一段时间修改信号发生器发出信号的占空比为50%,使得加热板的功率为70W,稳定一段时间后修改信号发生器发出信号的占空比为70%,使得加热板的功率达到98W,待到系统稳定一段时间后停止记录数据。试验结果如表1所示。其中从试验结果看,加热板功率对环路热管系统的散热性能影响不大。但加热功率较大时,环路热管系统的散热效率会有所下降。通过试验结果推算,环路热管系统在加热板功率为40—70W之间能发挥其最佳性能。2.4冷却水流量调整试验方式与之前充液率相关试验基本相似。开始记录数据后开启加热板,加热板功率低功率工况下为42W,高功率工况下为98W,冷却水流量为5g/s,待到环路热管系统稳定后(试验开始后约300s时)改变冷却水流量为10g/s。图6和图7分别为低功率热源和高功率热源的工况下,改变冷却水流量对环路热管系统各点温度的影响。可以看出,无论在高功率还是低功率热源工况下,改变冷却水的流量对环路热管系统的性能基本没有影响。利用SPSS软件,分别对低功率热源和高功率热源工况下,改变冷却水流量前后的各测点温度进行了单因素方差分析。发现在低功率热源和高功率热源工况下,sig值分别为0.769和0.867。即改变冷却水流量前后,环路热管系统各点温度的变化不大。2.5倾斜角和加热功率对环路热管性能的交互作用设计了一组正交试验,试验条件如表2所示。其中,A列为工质充液率,%;B列为蒸发器倾斜角,(°);C列为加热功率,W;D列为冷却水流量,g/s;“A×B”代表将充液率和倾斜角的共同作用视为一个影响因素;“A×C”代表将充液率和加热功率的共同作用视为一个影响因素;“B×C”代表将倾斜角和加热功率的共同作用视为一个影响因素。图8、图9和图10显示了充液率、倾斜角和加热功率两两之间的相互影响。从图8、图9和图10可以看出,充液率和倾斜角之间没有交互作用,充液率和加热功率之间存在交互作用,倾斜角和加热功率之间没有交互作用。为进一步探索充液率和加热功率之间的交互作用,按照表3中的工况设置进行了4组试验。可以看出,在加热功率为42W时,充液率为50%的工况下环路热管系统散热降温占比,比充液率为70%的工况下环路热管系统散热降温占比要低3%左右;而加热功率为98W时,充液率为50%的工况下环路热管系统散热降温占比和充液率为70%的工况下环路热管系统散热降温占比基本相同,相差1%左右。可以看出,加热功率和充液率之间存在交互作用,在高功率的工况下充液率对环路热管系统的影响要小于低功率的工况下充液率对环路热管的影响。3不同结构的热管传热性能为研究环路热管工质充液率、蒸发器倾斜角、热源加热功率以及冷却水流量等多种因素对其传热性能的影响,以及不同影响因素之间的交互作用,本文设计了一套环路热管并进行了试验。研究发现,对于所研究的环路热管,工质充液率与蒸发器倾斜角两因素的选取存在最佳值。在工质充液率为50%至60%的工况下,环路热管系统传热性能达到了最佳;蒸发器的最佳倾斜角为与水平面夹角60°左右。加热板功率对环路热管系统的传热性能影响不大;但加热功率较大时,环路热管系统的散热效率会有所下降。冷却水流量的变化对于环路热管系统的性能基本没有影响。各个因素之