轴向微槽热管的毛细力测试与分析

轴向微槽热管的毛细力测试与分析

0沟槽微热管传热性能测试微管的设计主要依靠内部微空间的毛细力，实现工艺质量的蒸发、冷流和热态于一体的高效传统件器。轴向沟槽式吸液芯由于其内部特殊结构能够使微热管产生更大的毛细压力、更强的渗透性及更小的气液界面剪切力，多年来倍受国内外学者关注。范春利等人通过数值模拟和实验测试对比分析了矩形、锯齿形和梯形槽道结构微热管的换热性能，结果表明梯形槽道性能优于矩形槽道，矩形槽道则优于三角形槽本文基于轴向沟槽热管毛细极限对其换热效果的影响，设计加工了不同截面尺寸的沟槽微热管。通过动态高度法定量表征了不同沟槽结构微热管毛细力的大小，并结合热管传热性能测试试验探究了毛细压力和热管传热性能之间的关系，以明确不同断面形状沟槽对热管性能的影响，最终确定强化沟槽微热管传热的最佳断面形式。研究表明，几种常见沟槽形式的微槽结构毛细力大小为:深V形>浅V形>深矩形>Ω形>浅矩形。1槽道操作模拟研究设计的5种微热管沟槽横截面结构如图1所示。在外形尺寸均为3mm×40mm×400mm的1060铝材基板内开出轴向的内腔，在内腔的一侧由经线切割工艺沿轴向加工出5条微型槽道，其中两块基板上的槽道为矩形槽道，另外两块为V形槽道，还有一条为“Ω”形槽道。槽道具体截面形状尺寸如图1所示。槽道切割机加工完成之后将两端挡板用耐高温高强度密封胶粘合，两端挡板中心分别留有微孔来连接外径为1mm的微细铝管用于实现充液和抽真空，先将两端微孔分别与注射器连接，用注射器将工质液体注满微热管以挤出管内气体，快速密封微热管的一端，确定所需的充液量后抽出多余工质，最终完成微热管的充液和密封工作。对密封封装完成后的不同内部构造的平板微热管进行相关的试验研究，进一步对微槽热管的内部结构尺寸进行优化设计。优化选择后对矩形深槽微热管的槽道表面进行氮气低温等离子体改性，以改善微槽通道的表面性能。热管壁厚为2mm，以保证热管的加工强度。槽道上部是连通的蒸汽腔，厚度为1mm，以减少气液反向流动时高速蒸汽对液体回流产生的摩擦阻力。微热管沿轴向可分为蒸发段、绝热段和冷凝段，蒸发段长度为100mm，冷凝段均为110mm，绝热段长度随热管长度的变化各有不同。本文中将热管的充液率定义为充入微热管内的液体工质的体积和微热管内通道总容积的比值2性能、试验研究试验测试主要包括微槽通道的毛细力测试和平板微热管的性能测试试验。本文采用的试验平台选择风冷的冷却方式，通过变频风机来改变风速大小，可以较为灵活地调节冷凝风速以便于进行微热管冷凝换热的性能测试。2.1管升降板实验设备目前，常用的表面张力测试方法有毛细上升法、最大气泡压力法、滴重法等。本文采用动态高度法对5种不同断面形式的沟槽进行毛细力测试表征。测试装置由实验室自行搭建(如图2所示)，测试系统含高速摄像仪1、可调节升降装置2、样品固定装置3、待测微热管4、玻璃容器5、刻度尺7等。可调升降装置是一个小型升降台;样品固定装置可实现待测微热管的安装与固定;刻度尺用于测量微热管内弯液面上升的高度。本实验采用高速摄像仪来记录整个实验测试过程，并利用视频处理软件对其进行数据采集，准确读取毛细上升过程所用时间和弯月面最终达到的润湿高度，进行相应的数据回归处理分析，定量表征毛细力大小。利用动态高度法进行毛细力测试的原理:当微热管槽道浸入液体后，工质会在表面张力的作用下克服重力沿着微槽通道上升，直至毛细力与液体自身重力平衡，弯月面停止上升毛细力驱动压差计算公式为:Washburn式(1)、(2)两方程联立得出:式中:h为微槽内弯月面上升的高度，m;ΔP为毛细压差，Pa;D为微槽当量水力直径，m;t为弯液面上升的时间，s;μ为液体工质的粘度，mPa·s。通过计算上升高度h2.2加热段初支微热管性能测试的装置如图3所示，主要包括电加热段、除尘干燥段、零温水冷却段、热传递段和数据采集部分。而设计加工的实际测试装置平台如图4所示。为保证测试过程的科学性及数据采集的准确性，整个试验装置的外围使用黑色橡塑聚氨酯保温材料进行包裹，减小热损失，尽可能提高实验的准确性。加热段是供给微槽平板热管蒸发段热量的装置，包括直流电源、加热铜板、电阻丝等。用加热铜棒来模拟热源，热流量可通过直流电源电压进行调节控制。其中加热段为缠绕电阻丝的铜板一端，导热段将加热段的热量传递出去，导热段外覆有玻璃棉保温层以减少热损失。主要由直流稳压电源、空滤器、变频器和风机组成，可完成不同槽道形状热管相关性能的测试。除尘干燥段后置于风机的送风口处，由简易固体干燥箱组成。零度水浴降温段由0℃冰水混合储水箱、小型水泵、双层微细铜盘管及塑料软管等构成，保证零度恒温的实验环境。热传递段是由长度为1500mm的风管、加热铜棒、电阻丝等组成，用加热铜棒来模拟发热源，加热量由调压器调节。数据采集段由数据采集器、热电偶、电脑和风速仪组成。为减小接触热阻，保证实验的精度。对铜板的前端面进行抛光处理，微热管表面擦拭干净，二者之间涂有导热硅脂，保证接触紧密。蒸发段和绝热段用挤塑聚苯板包裹来进行良好保温，并用夹子牢靠固定。3平板微热管的性能测试微热管在实现快速高效散热方面的作用逐渐成为目前微电子领域研究的重点，因此对于微热管尖角区流体的工作状态和相关的毛细泵送压力则需要更加详细的研究分析。在各种不同工况下，当微热管轴向工作温差随时间的变化在30s内不超过0.2℃时，则认为微热管已达到热平衡，处于稳定的工作状态。当热管的加热功率达到一定值时，轴向温度开始出现较大的波动，认为此时热管已达到其传热极限。在毛细力测试实验中，一旦将平板微热管槽道的一端浸入测试溶液中，在毛细压力的作用下液体工质会瞬间上升并很快达到弯液面上升的最大值。本文在进行视频处理时，选择每0.2s拾取一个数值，故本文中均以0.2s开始将获取的实验数据作为有效值。本文针对微热管在不同截面形状、不同测试工质以及对微槽表面改性之后等工况下的传热性能进行研究。图5显示了微热管槽道截面尺寸对毛细力大小的影响。由图5可知，5种不同微槽结构的平板热管毛细力大小对比为:深V形>浅V形>深矩形>Ω形>浅矩形。结果显示V形槽由于其锐利的尖角区域的存在使得所产生的毛细作用最为明显。而对于矩形槽道，当微槽宽度不变，槽深加大0.5mm时，其当量直径增大了7%，而毛细力增大了53%左右，这说明槽宽相同时，槽道越深，毛细作用越显著。而对于本文中所设计的Ω形槽道，因其内部结构无尖角区，所以较之其他几种微槽类型而言毛细力较小。图6、7分别为选择动态高度法使用不同测试工质时的毛细表征结果。我们都知道水的表面张力相比丙酮和乙醇要大得多，水的表面张力是丙酮的2.98倍左右，但同时其表面张力也大于平板微热管固体基材1060铝合金的表面张力。因此，水在作为测试平板微热管槽道毛细力上升实验的试剂时，其毛细现象就不如使用丙酮或者乙醇工质时明显。由图6可知，使用乙醇工质时的毛细现象优于水工质，但不如丙酮工质的毛细现象明显。由图7可知，丙酮在1s内几乎呈线性增长，经Origin软件进行曲线拟合可知，丙酮工质的b值为711。图8为Ω形微槽表面改性前后深矩形微槽热管毛细力的变化情况。对于同种形状尺寸的微槽热管，k=h图9为选取的深矩形平板微热管在丙酮25%充液率下施加不同输入功率时的轴向工作温差随时间的变化，显示了其热响应时间的长短。本实验中的深矩形平板微热管能够在200s左右进入稳定的工作状态，同时说明在其他实验条件相同的情况下，输入功率越大，平板微热管的启动性能就越好。4槽道毛细力对微热管传热性能的影响本文对5种不同槽道结构类型的平板微热管进行了毛细力测试对比试验，主要研究了槽道形状、不同工质及表面优化对微热管传热性能的影响，通过实验得出以下结论:(1)对于5种不同类型结构的平板微热管的毛细力大小进行对比:深V形>浅V形>深矩形>Ω形>浅矩形。结果显示V形槽由于其锐利的三角形尖角区域所产生的毛细作用最为明显。而当宽度相同时，同种微热管槽道深度的增加有利于毛细力的产生;而Ω形槽道因其结构不存在常见几何形状所具有的尖角区域，减小了蒸汽与回流液体之间的剪切摩擦力，对毛细驱动力的需求值变小。(2)采用水、丙酮和酒精3种不同工质分别进行毛细力测试，实验结果表明丙酮更适宜作为平板微热管槽道毛细力测试的试剂，同等实验条件下其毛细现象最为明显。(3)对平板微热管槽道表面进行低温等离子体改性能够优化槽道表面的性能，增大槽道