李勇 陳春燕 揭志偉 曾志新

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院∥表面功能結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

熱管作為一種高效的導(dǎo)熱元件，近年來在各個(gè)領(lǐng)域備受青睞．常用熱管有溝槽式熱管［1-2］和燒結(jié)式熱管［3］．燒結(jié)式熱管具有較好的抗重力特性，因此在電子行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛．文獻(xiàn)［4-8］對(duì)燒結(jié)式熱管的制造、結(jié)構(gòu)及傳熱性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)影響燒結(jié)式熱管傳熱性能的主要因素為吸液芯的孔隙率和滲透率．文獻(xiàn)［9］中探討了不同形態(tài)銅粉燒結(jié)而成的毛細(xì)結(jié)構(gòu)的孔隙率及力學(xué)性能．文獻(xiàn)［10］中對(duì)粒徑小于75 μm和粒徑在75～180 μm的球型銅粉燒結(jié)而成的熱管蒸發(fā)的情況進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)粒徑較小的熱管蒸發(fā)端的熱阻較?。墨I(xiàn)［11］中比較了粒徑為5和45μm的銅粉分別與聚甲基丙烯酸甲酯混合燒結(jié)而成的吸液芯的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)混入粒徑為45μm的銅粉燒結(jié)而成的吸液芯孔隙率比較大，認(rèn)為減少盲孔可提高吸液芯的性能．文獻(xiàn)［12］中研究了粒徑分別為大于37μm和小于37μm的電解沉積類銅粉，以及粒徑分別為小于37 μm、(68±5)μm和(96±8)μm的氧化還原(OR-100)、水霧化(WA)和氣體霧化(GA)類銅粉對(duì)平板熱管吸液芯的收縮率、孔隙率、最大空隙直徑、滲透率及熱管熱阻的影響，結(jié)果表明:粒徑越大，吸液芯的收縮率越小，孔隙率、最大空隙直徑和滲透率越大;粒徑為(68±5)μm時(shí)WA類銅粉燒結(jié)而成的吸液芯熱阻最?。墨I(xiàn)［13］中比較了厚度為1．1～1．85 mm 且燒結(jié)銅粉粒徑范圍為 80 ～110 μm、110 ～140 μm、140～170μm的吸液芯的孔隙率和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)粒徑為140～170μm銅粉燒結(jié)而成的吸液芯力學(xué)性能好，毛細(xì)力比較大，回流阻力小，熱阻最小，粒徑范圍越小熱管的性能越好．文獻(xiàn)［14］將粒徑大小范圍分別為45～75μm、106～150μm、250～355μm 的銅粉燒結(jié)成厚度為0．6～1．2mm的吸液芯并進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粒徑為106～150 μm的銅粉燒結(jié)而成的吸液芯導(dǎo)熱率最大，熱阻最?。?/p>

可見，吸液芯的組成和厚度不同，最優(yōu)的銅粉粒徑范圍也不同［12-14］．從生產(chǎn)者角度來看，希望燒結(jié)式熱管的吸液芯越薄越好，以降低成本，但有關(guān)銅粉粒徑對(duì)薄壁熱管影響的研究較少，不同粒徑銅粉的混合比例及混合銅粉各自粒徑大小對(duì)吸液芯孔隙率及熱管傳熱性能的影響也未見報(bào)道．粒徑在109～180μm范圍內(nèi)的水霧化銅粉形成的吸液芯熱阻比較小［13-14］，文中擬對(duì)該范圍內(nèi)銅粉粒徑的分布對(duì)吸液芯厚度為0．5～0．6mm的圓形薄壁燒結(jié)式熱管傳熱性能的影響進(jìn)行研究，將粒徑范圍分別為(114．5±5．5)μm、(135±15)μm 和(165 ±15)μm 的銅粉按不同比例混合，改變燒結(jié)銅粉的粒徑分布，探討銅粉的粒徑大小和分布對(duì)燒結(jié)式熱管傳熱性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)

文中實(shí)驗(yàn)管的吸液芯是由水霧法制作的銅粉燒結(jié)而成，銅粉密度 ρcopper=8．9 g/cm3，粒徑分別為(165±15)μm、(135±15)μm 和(114．5±5．5)μm，實(shí)驗(yàn)中這3種粒徑的銅粉分別命名為A、B和C;將這3種銅粉兩兩進(jìn)行混合，得到銅粉ABxy、ACxy和BCxy，其中 x=3，y=7;x=7，y=3．將上述 9 種粒徑的銅粉分別填入外徑D為5、6和8 mm(分別記為D5、D6和D8)的銅管，做好標(biāo)記，并在930℃下燒結(jié)2h．吸液芯的厚度δ、管壁的厚度α及未填銅粉的光管質(zhì)量mo如表1所示．

表1 熱管尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of heat pipes

用灌注抽真空法［15］使熱管填充一定量的水作為工質(zhì)，并使內(nèi)部的氣壓在80 Pa以下，接著用二次除氣工藝除去剩余的不凝結(jié)氣體，測(cè)出每種管內(nèi)剩余工質(zhì)的質(zhì)量．

圖1 不同粒徑銅粉的燒結(jié)式吸液芯的SEM圖Fig．1 SEM of sintered powder wicks with different copper particle sizes

不同粒徑銅粉燒結(jié)而成的吸液芯的SEM見圖1．圖2為熱管測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置，熱管長(zhǎng)度l為200mm，加熱端和冷凝端各由兩塊銅塊夾緊，銅塊大小為50mm×30mm×13mm．加熱端通過控制加熱棒對(duì)銅塊進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)功率輸入，冷凝端通過50℃的恒溫水對(duì)銅塊進(jìn)行冷卻．用熱電偶測(cè)量熱管的加熱端兩點(diǎn)的溫度Te1、Te2和冷凝端兩點(diǎn)的溫度Tc1、Tc2．熱管與銅塊之間涂上硅膠，以減小接觸熱阻，熱電偶的分布如圖3所示．

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．2 Experimental setup

圖3 熱電偶分布(單位:mm)Fig．3 Thermocouple distribution(Unit:mm)

熱管初始輸入功率P為10W，通過熱管功率測(cè)試系統(tǒng)，記錄下熱管在不同功率下的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，熱管正常工作時(shí)蒸發(fā)端溫差ΔTe＜1℃，熱管沒有穩(wěn)定工作時(shí)，加熱端一端點(diǎn)的溫度Te1不停上升，當(dāng)ΔTe＞3℃時(shí)，判定熱管燒干．熱管正常工作能達(dá)到的最大功率定為熱管的極限傳輸功率(MHTP)．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 銅粉粒徑對(duì)孔隙率及MHTP的影響

吸液芯的孔隙率ε可由空隙的體積Vpore和吸液芯的總體積Vtotal求出，即

設(shè)mcopper為銅粉的總質(zhì)量，則

設(shè)ms為燒結(jié)管的質(zhì)量，則

孔隙率為

從式(6)可以看出吸液芯的孔隙率與燒結(jié)后熱管的質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，ms越小，孔隙率ε越大．

圖4給出了填好粉末的D5、D6和D8銅管燒結(jié)后的質(zhì)量，其中dave為銅粉的平均粒徑．從圖4可以看出，各條曲線有相同的變化趨勢(shì)．銅粉沒有進(jìn)行混合時(shí)，銅粉粒徑范圍比較集中，如 A、B和 C．從式(6)和表1可以算出，C類和A類銅粉燒結(jié)成D5、D6和D8熱管中的吸液芯孔隙率分別為65．0%、64．2%、66．6% 和 73．2%、73．0%、74．7%．可見，A相對(duì)于C的平均粒徑增加44．1%時(shí)，D5、D6和D8熱管中的吸液芯孔隙率可分別增加8．2%、8．8%和8．10%．將銅粉進(jìn)行混合后，燒結(jié)管的質(zhì)量變化主要有兩種方式:(1)將平均粒徑相差比較大的銅粉進(jìn)行混合時(shí)，混入的大粒徑銅粉比例越大，燒結(jié)管的質(zhì)量越小，即生成的吸液芯的孔隙率越大，如曲線C-AC37-AC73-A和曲線B-AB37-AB73-A;(2)將平均粒徑相差比較小的銅粉進(jìn)行混合時(shí)，銅粉形狀的影響比較大，燒結(jié)管質(zhì)量變化比較復(fù)雜，如曲線C-BC37-BC73-B．

圖4 不同外徑燒結(jié)管的質(zhì)量Fig．4 Mass of sintered pipes with different outer diameters

表2給出了不同粒徑銅粉的燒結(jié)式熱管的MHTP對(duì)比，燒結(jié)銅粉的粒徑對(duì)熱管的MHTP的影響很大;當(dāng)粒徑在109～180μm的范圍內(nèi)，銅粉平均粒徑越大，熱管能夠達(dá)到的MHTP越大，A的平均粒徑相對(duì)于 C增加44．1%時(shí)，D8、D6和 D5熱管的MHTP分別增加25、10和5W．

表2 不同粒徑銅粉的燒結(jié)式熱管的MHTP比較Table 2 Comparison of MHTP of sintered heat pipes with different copper particle sizes

將不同粒徑的銅粉進(jìn)行混合時(shí)，熱管的MHTP會(huì)略微下降．小粒徑銅粉占70%時(shí)，熱管的MHTP基本上是最小的，與大粒徑銅粉的燒結(jié)式熱管相比，D5、D6和D8熱管的MHTP最大分別減少了10、15和50W．小粒徑銅粉比例相同時(shí)，將C換成B，D5、D6和D8熱管的 MHTP最大可分別減小5、5和25W．大粒徑銅粉占70%時(shí)，其熱管的MHTP僅次于純大粒徑銅粉的熱管的MHTP．造成這種現(xiàn)象的原因是:對(duì)于大粒徑銅粉燒結(jié)而成的熱管，其孔隙率比較大，工質(zhì)回流時(shí)的阻力小，毛細(xì)抽吸力較高［16］，加熱功率較大時(shí)，工質(zhì)能及時(shí)通過吸液芯回流到蒸發(fā)端，從而實(shí)現(xiàn)大功率的傳輸;相反，粒徑小的銅粉燒結(jié)而成的熱管達(dá)到的MHTP較小．不同粒徑大小的銅粉進(jìn)行混合后，大粒徑銅粉堆積形成的空隙會(huì)被小粒徑銅粉填充堵塞，孔隙率下降，毛細(xì)抽吸力變小，因此MHTP也下降，并且混入的小粒徑銅粉比例越大或粒徑越小，堵塞會(huì)越嚴(yán)重．可見，要提高熱管的MHTP，應(yīng)使銅粉粒徑范圍盡量小，以避免因粒徑不同而造成間隙相互堵塞．

2．2 銅粉粒徑對(duì)冷凝端溫差的影響

冷凝端溫差ΔTc=Tc1－Tc2，圖5給出了不同粒徑銅粉燒結(jié)而成的熱管的冷凝端溫差，其中D5、D6和 D8 熱管的冷凝端溫差分別表示為 ΔTc，5、ΔTc，6和ΔTc，8，工質(zhì)的質(zhì)量分別為 0．71、0．83 和 1．21 g．由圖5可以看出，冷凝端的溫差隨輸入功率的增大而增大．相同外徑、不同粒徑的銅粉燒結(jié)而成的熱管的冷凝端溫差差別比較小，D5、D6和D8熱管的冷凝端溫差的差別分別小于 0．8、1．0 和1．5℃．

圖5 不同粒徑銅粉燒結(jié)成的熱管冷凝端溫差Fig．5 Temperature difference on condensation of heat pipes sintered by different-size particles

從圖5(a)可以看出，輸入功率為10～60W時(shí)，填充A銅粉的各類外徑的熱管的冷凝端溫差都是最小的，填充C銅粉的最大，A的平均粒徑相對(duì)于C增加44．1%時(shí)，可以使D5、D6和D8熱管的冷凝端溫差分別減小 47．6%、57．4%和 46．0%．從圖 5(b)、5(c)和5(d)可知:不同外徑的熱管的冷凝端溫差隨著銅粉變化的規(guī)律不相同;隨著輸入功率的增加，外徑為8mm的熱管的冷凝端溫差出現(xiàn)了減小的情況，較多出現(xiàn)先減小后增加再減小的現(xiàn)象，而此現(xiàn)象在外徑為5、6mm或MHTP較低且外徑為8mm的熱管中均未出現(xiàn)．出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于:工質(zhì)的質(zhì)量相同時(shí)，不同粒徑銅粉的燒結(jié)式吸液芯的儲(chǔ)液量不同．如圖6所示，當(dāng)銅粉粒徑較大時(shí)，吸液芯的孔隙率較大，能夠存儲(chǔ)的工質(zhì)較多;當(dāng)銅粉粒徑較小時(shí)，容易在吸液芯外部殘留多余的工質(zhì)，熱管正常工作時(shí)，這些工質(zhì)會(huì)被蒸氣帶到冷凝端，加上孔隙率較小時(shí)工質(zhì)回流受到的阻力較大，工質(zhì)會(huì)留在冷凝端而發(fā)生阻塞，從而使冷凝端的熱阻變大，溫差較大．將不同粒徑范圍的銅粉進(jìn)行混合，銅粉與銅管壁之間的接觸狀態(tài)較多樣化，因此同一種銅粉在不同外徑的熱管內(nèi)的分布也不同．熱管功率較高時(shí)，內(nèi)部氣液變化比較劇烈且難以預(yù)測(cè)，所以冷凝端溫差會(huì)出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象．

圖6 大、小粒徑銅粉燒結(jié)成的吸液芯中工質(zhì)的分布Fig．6 Distribution of working fluid in wicks sintered by large-size particles and small-size particles

2．3 銅粉粒徑對(duì)總熱阻的影響

文中定義總熱阻

式中，Te，ave和 Tc，ave分別為熱管加熱端和冷凝端的平均溫度．

圖7給出了不同粒徑銅粉燒結(jié)而成的熱管總熱阻的變化情況，可以看出:銅粉粒徑對(duì)熱管總熱阻的影響較小，相同外徑的熱管在相同功率條件下的熱阻最大相差僅0．03℃/W．填充A銅粉的D5和D6熱管的總熱阻最小，填充C銅粉的熱管的總熱阻最大;A的平均粒徑相對(duì)于C增加44．1%時(shí)，D5和D6熱管的總熱阻可分別減少20．7%和54．3%;D8熱管的總熱阻比較小，不同粒徑銅粉燒結(jié)而成的熱管的總熱阻相差小于5%．不同粒徑銅粉混合后，熱管的總熱阻隨輸入功率的變化規(guī)律在不同外徑中是不相同的．

圖7 不同粒徑銅粉燒結(jié)的熱管總熱阻Fig．7 Total thermal resistance of heat pipes sintered by different size particles

3 結(jié)論

文中將不同粒徑的銅粉進(jìn)行混合，探討銅粉粒徑和配比對(duì)吸液芯孔隙率和熱管傳熱性能的影響，得到如下結(jié)論:

(1)銅粉粒徑對(duì)吸液芯孔隙率和熱管MHTP的影響比較大．銅粉粒徑比較集中時(shí)，A的平均粒徑相對(duì)于C增加44.1%，可以使D5、D6和D8熱管的孔隙率分別增加8.2%、8.8%和8.1%，MHTP分別增加5、10和25W．

(2)銅粉粒徑對(duì)熱管冷凝端溫差和總熱阻的影響較?。诓话l(fā)生燒干的情況下，不同粒徑銅粉燒結(jié)而成的D5、D6和D8熱管，冷凝端溫差的差別分別小于0.8、1.0和1.5℃，總熱阻相差小于0.03℃/W，平均粒徑越大，熱管的冷凝端溫差和總熱阻越?。?/p>

(3)銅粉粒徑范圍應(yīng)盡量小，以減小因粒徑不同而造成的間隙相互堵塞．當(dāng)小粒徑銅粉占70%時(shí)，熱管的MHTP是最小的，與大粒徑銅粉燒結(jié)而成的熱管相比，D5、D6和D8熱管的MHTP可分別減少10、15和50W．當(dāng)小粒徑銅粉比例相同時(shí)，將C換成B，D5、D6和D8熱管的MHTP可分別減少5、5和25 W．當(dāng)大粒徑銅粉占70%時(shí)，燒結(jié)式熱管的MHTP僅次于全部為大粒徑銅粉的燒結(jié)式熱管的MHTP．將不同粒徑范圍的銅粉進(jìn)行混合時(shí)，熱管的總熱阻和冷凝端溫差的變化規(guī)律存在不確定性．

(4)銅粉粒徑為(165±15)μm的水霧化銅粉適用于制作吸液芯厚度為0．5～0．6mm的薄壁燒結(jié)式熱管．

［1］ 李勇，湯勇，肖博武，等．銅熱管內(nèi)壁微溝槽的高速充液旋壓加工［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，35(3):1-5．Li Yong，Tang Yong，Xiao Bo-wu，et al．Manufacturing of inner micro grooves of copper heat pipe via high-speed oil-filled spinning［J］．Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2007，35(3):1-5．

［2］ 朱旺法，陳永平，張程賓．燕尾形軸向微槽熱管的流動(dòng)和傳熱特性 ［J］．宇航學(xué)報(bào)，2009，30(6):2380-2386．Zhu Wang-fa，Chen Yong-ping，Zhang Cheng-bin．Flowing and heat transfer characteristics of heat pipe with axially swallow-tailed microgrooves［J］．Journal of Astronautics，2009，30(6):2380-2386．

［3］ Vasiliev L L．Micro and miniature heat pipes-electronic component coolers［J］．Applied Thermal Engineering，2008，28:266-273．

［4］ 肖園園．燒結(jié)熱管的制備及傳熱性能的研究［D］．上海:上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2009．

［5］ Leong K C，Lu C Y，Lu G Q．Characterization of sintered copper wicks used in heat pipes［J］．Journal of Porous Material，1997，4:303-308．

［6］ Hanlon M A，Ma H B．Evaporation heat transfer in sintered porous media ［J］．Journal of Heat Transfer，2003，8:644-652．

［7］ Peterson G P，F(xiàn)letcher L S．Effective thermal conductivity of sintered heat pipe wicks［J］．Journal of Thermophysics and Heat Transfer，1987，1:343-347．

［8］ Chen Y M，Wu S C，Chu C I．Thermal performance of sintered miniature heat pipes［J］．Heat and Mass Transfer，2001，37:266-273．

［9］ 曾昭源．折彎及壓扁后制程對(duì)燒結(jié)式熱管毛細(xì)結(jié)構(gòu)之影響［D］．大同:大同大學(xué)工學(xué)院，2007．

［10］ Wong Shwin-Chung，Liou Jhan-Hong，Chang Chia-Wei．Evaporation resistance measurement with visualization for sintered copper-power evaporator in operating flat-plate heat pipes［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(19/20):3792-3798．

［11］ Wang Bin，Zhang Erlin．On the compressive behavior of sintered porous coppers with low-to-medium porosities-PartⅡ:preparation and microstructure ［J］．International Journal of Mechanical Science，2008，50(3):550-558．

［12］ 吳昶輝．粉體特征及燒結(jié)制程對(duì)平板型熱管毛細(xì)結(jié)構(gòu)特性及傳熱性能之影響［D］．大同:大同大學(xué)工學(xué)院，2005．

［13］ Li Xi-bing，Tang Yong，Li Yong．Sintering technology for micro heat pipe with sintered wick［J］．Journal of Central South University of Technology，2010，17(1):102-109．

［14］ Weibel Justin A，North Mark T．Characterization of evaporation and boiling from sintered powder wicks fed by capillary action ［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(19/20):4204-4215．

［15］ 陸龍生，湯勇，袁冬．微熱管的灌注抽真空制造技術(shù)［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(6):122-127．Lu Long-sheng，Tang Yong，Yuan Dong．Micro heat pipe manufacturing technology of vacuuming and filling work fluid ［J］．Journal of Mechanical Engineering，2009，45(6):122-127．

［16］ Li Jinwang，Zou Yong，Cheng Lin．Experimental study on capillary pumping performance of porous wicks for loop heat pipe［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34(8):1403-1408．