角度变化对平板微热管性能的影响分析

0引言

平板微热管阵列内部由多个相互独立的微通道热管组成，与传统热管相比较具有热传递和承压能力强、均温性和启动性好、工作可靠性高、价格低廉等优点^[1-3],因而被广泛应用于电子元器件、LED散热以及太阳能集热领域^[4-5]。

Huang等人^[6]对应用丙酮、环戊烷和正己烷三种不同工质的平板微热管阵列进行实验研究，结果表明以丙酮为工质的平板热管的热工性能最优。

Moon等人^[7]对热管毛细芯的结构和材料进行研究，发现炭纤维束结构的毛细芯能够有效提升平板热管的换热性能。

Rahman等人^[8]对四种不同填充工质的平行微热管进行研究，发现不同热源温度和工质对热管的传热特性有很大影响，与丙酮、丙醇-2和乙醇相比，以甲醇为工质的微热管具有最低的蒸发表面温度，在较高热通量下热导率最高，是磁流体动力系统的最佳工作流体。

Xin等人^[9]提出了一种新型的平板热管渐变槽芯设计，研究轴向带槽壁、微槽尺寸对热管传热性能的影响，发现当热流量为5 W 时，热管的有效导热系数提高了12.4%,并且带凹槽斜坡式气液壁面设计不仅简单，而且更符合实际应用。

王裴等人^[10]提出一种槽道周边采用锯齿状结构的热管，发现锯齿状结构可以强化底层扰流和换热，对该结构的热管的传热性能进行分析，发现该热管具有很好的均温性，最大温差仅为0.8℃。

平板微热管相关参数的选取对热管的传热性能有很大影响，但目前对平板微热管整体倾斜角度、冷凝段弯折角度方面的研究较少，本文将通过实验研究平板微热管整体倾斜角度、冷凝段弯折角度对平板微热管传热性能的影响，以期为平板微热管的应用提供相关参数参考。

1实验系统

实验以填充工质为25%的平板微热管为研究对象，研究了平板微热管整体在倾斜角度为0°~90°和冷凝段弯折角度为0°~30°时的均温性能和传热性能，平板微热管的尺寸为250 mm×40 mm×3mm,实验系统主要由铜板加热系统、平板微热管、保温系统、冷却系统、数据采集系统和数据处理系统组成，如图1所示。

2性能评价方法

通过傅里叶定律计算得到通过微热管的热流密度值q:

式中：q₁、q₂为加热铜板上不同测点之间的热流密度；t₁、t₂>t₃为加热铜板上的测点温度；λ为铜板的导热系数；△X为测点的间距，△X=10mm。

温差△T为微热管的轴向温差：

式中：t₄、t₅为蒸发段温度；t₆、t₇为冷凝段温度。热阻为微热管蒸发段到冷凝段的热阻：

式中：R₁为微热管蒸发段到冷凝段的热阻；Q为微热管的加热功率。

3结果和分析

3.1 倾角对平板微热管性能的影响

平板微热管轴向温差在不同倾斜角度下随时间变化曲线如图2所示，从图中可以看出，轴向温差随着加热时间的加长呈增大趋势，当倾斜角度从0°增大到10°时，平板微热管的轴向温差增幅逐渐减小，当倾角大于10°时，平板微热管的轴向温差增幅随着倾角的增大基本保持不变；当倾角从0°到10°时，平板微热管的平均轴向温差从7℃减小到1℃,当倾斜角度为150和30°时，微热管阵列的平均轴向温差最小，仅为0.7℃。

平板微热管的热阻在不同倾斜角度下随热流密度变化曲线如图3所示，可以看出，当平板微热管的 倾角在0°~5°范围内变化时，热阻随着热流密度的增大而增大，当倾角大于10°时，平板微热管的热阻随 着热流密度的增大先减小而后基本保持不变。当平板微热管的倾角从0°增加到10°时，微热管阵列的平 均热阻从3.85℃/W 减小到0.66℃/W。

3.2 弯折对平板微热管性能的影响

平板微热管轴向温差在不同冷凝段弯折角度下随时间变化曲线如图4所示，从图中可以看出，平板微热管的轴向温差随着加热时间的加长先增大后基本保持不变，冷凝段弯折角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°时的平均轴向温差为1.05、1.02、1.1、0.93、1.12、1.06、1.19℃,平板微热管冷凝段的弯折角度大于15°时的平均温差大于冷凝段弯折角度小于15°时的平均温差，当平板微热管冷凝段弯折角度为15°时，平板微热管的平均轴向温差最小，为0.93℃。

平板微热管的热阻在不同冷凝段弯折角度下随热流密度变化的曲线如图5所示，从图中可以看出，平板微热管的热阻随着热流密度的增大先减小后基本保持不变。冷凝段弯折角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°时的平均热阻为0.63、0.61、0.67、0.5、0.76、0.79、0.82℃/W。 平 板 微 热 管 冷 凝 段 的 弯 折 角 大 于15°时的热阻大于小于15°时的热阻，当平板微热管冷凝段的弯折角度为150时，平板微热管的平均热阻最小，为0.5℃/W。

4结论

本文以填充工质为25%的平板微热管为研究对象，实验研究了微热管整体倾斜角度、冷凝段弯折角度对平板微热管性能的影响，得到以下结论：

1)当平板微热管水平放置以逆时针角度变化的过程中，在倾斜角度从0°变化到10°时，平板微热管的性能有很好的改善，当倾斜角度大于10°时，倾角的改变对平板微热管性能的改善无显著作用，倾斜角度大于10°时平板微热管的热性能明显好于0°时，所以在实际应用中平板微热管倾斜角度应大于10°使用。

2)当平板微热管垂直放置，冷凝段的弯折角度为15°时，平板微热管具有较好的均温性和传热性， 此时的平均温差和热阻为0.93 ℃和0.5℃/W; 当平 板微热管冷凝段的弯折角度大于15°时，平板微热管的平均轴向温差和平均热阻均大于冷凝段弯折角度小于15°时的平均温差和热阻，所以在实际应用中平板微热管的冷凝段弯折角度应小于15°使用。

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2024年第15期第11篇