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微溝槽熱管旋壓成形及其傳熱性能研究

王焰磊，宋喜茜，祝焱，蔣琳，朱紅關(guān)，展光輝

（廣東龍豐精密銅管有限公司，廣東珠海519045）

對管內(nèi)微溝槽高速充液旋壓成形工藝和傳熱性能進行了實驗研究，研究了加工工藝參數(shù)包括拉管速度和旋壓鋼球數(shù)量對微溝槽成形的影響，并測試微溝槽熱管的啟動性能和極限功率等。同時分析了溝槽橫截表面形貌。實驗研究表明，隨著拉管速度越大，微溝槽槽高逐漸減小；旋壓球數(shù)量越多，溝槽質(zhì)量更好；微溝槽熱管的啟動性能和均溫性能良好。關(guān)鍵詞：微溝槽；工藝參數(shù)；傳熱；旋壓成形

電子器件不斷地向高性能化、高功率化、微型化發(fā)展，正面臨著熱流密度越來越高，散熱空間越來越小。高熱流密度電子器件的冷卻問題成為當前電子產(chǎn)品首要克服的關(guān)鍵問題[1]。傳統(tǒng)的風(fēng)冷的散熱方法已不能滿足需要，為了解決高熱流密度電子器件熱控制問題，諸多散熱技術(shù)被提出，如熱管，毛細泵熱管，微通道散熱器等[2]。其中熱管應(yīng)用廣泛，吸液芯結(jié)構(gòu)是熱管重要部件，微溝槽熱管是管內(nèi)壁旋壓成形的，質(zhì)量輕，沒有接觸熱阻，能滿足電子系統(tǒng)的微型化的發(fā)展要求。

目前微溝槽熱管加工方法有：機械加工、化學(xué)刻蝕、真空鍍膜、電火花加工等，但上述加工技術(shù)加工效率低和制造成本高等缺點[3-6]。如何在銅管內(nèi)表面加工出具有高深寬比的微溝槽成為改善熱管傳熱性能的技術(shù)難題[7]。湯勇[8]等提出了內(nèi)螺紋銅管充液旋壓的加工方法，歐棟生[9]采用高速充液旋壓-多級拉拔復(fù)合成形方法加工出了質(zhì)量穩(wěn)定的微型直齒溝槽銅管，獲取了深寬比大微溝槽。在此基礎(chǔ)上，本文研究微溝槽熱管高速充液旋壓成形機理和銅管速度、旋壓球數(shù)量等工藝參數(shù)對溝槽槽高成形的影響，并分析了槽橫截面的表面形貌。同時通過搭建的熱管測試平臺，測試了微溝槽熱管的傳熱性能。

1 成形裝置及傳熱實驗

1.1 成形裝置及過程

微溝槽的旋壓成形過程是在專用軋機上實現(xiàn)的，圖1是微溝槽液旋壓成形實驗裝置。在加工過程中，將紫銅光管放置于軋機導(dǎo)軌上，銅管的一端在拉拔力F作用下向前運動；套圈在電機的帶動下做高速旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)的旋壓鋼球繞銅管滾動，多齒芯頭分布于銅管內(nèi)部，在鋼球和芯頭共同擠壓作用下，銅管內(nèi)表面產(chǎn)生局部塑性變形，最終成形深寬比較大的微溝槽。圖1（b）為旋壓裝置實物圖。

圖1 微溝槽熱管的成形裝置

1.2 微細溝槽熱管傳熱性能測試系統(tǒng)

熱管傳熱性能測試試驗裝置主要有：蒸發(fā)段、冷凝段、絕熱段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機。圖2為熱管傳熱性能測試系統(tǒng)，在熱管蒸發(fā)段，通過加熱棒加熱，并且可以通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱棒的功率；在熱管冷凝段，通過冷卻水循環(huán)回路冷卻，并由恒溫水箱來控制循環(huán)水的溫度。為避免散熱損失，在熱管絕熱段外表面包裹了一層保溫棉。在蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段均各設(shè)溫度測試點，并由數(shù)據(jù)采集卡采集各點溫度，并上傳于PC機對溫度信號進行數(shù)據(jù)處理。熱管工質(zhì)為丙酮。熱管長度300 mm，蒸發(fā)段長度大約為82 mm，冷凝段長度大約82 mm，其余部分是絕熱段的長度。試驗中恒溫水浴就是保持水溫50±0.5°C，試驗分別測試了五種加熱功率下溫度響應(yīng)工況。

圖2 熱管傳熱性能測試裝置

2 工藝參數(shù)對微細溝槽管槽深的影響

管坯外徑為8 mm，壁厚為0.45 mm，通過溝槽管成形過程實驗，研究拉管速度和滾珠數(shù)量對微細溝槽銅管槽深的影響，并分析了微型溝槽銅管的槽道截面形貌。

2.1 工藝參數(shù)對成形的影響

圖3為微型溝槽管的槽高和拉管速度的關(guān)系曲線圖，隨著拉管速度的增大，微型溝槽管的槽深逐漸減小。當銅管速度小時，加工出槽高較大，但是存在生產(chǎn)率較低問題；當銅管速度大時，溝槽高度小較小，導(dǎo)致溝槽質(zhì)量較差，磨損特別大等缺點。圖4為滾珠數(shù)量對槽高的影響。研究表明溝槽高度隨著旋壓球數(shù)量增加而逐漸增大。溝槽質(zhì)量隨著旋壓球數(shù)量越多而更好。但因銅管外徑較小，旋壓球數(shù)量應(yīng)適當選擇。

圖3 微溝槽槽高和拉管速度的關(guān)系曲線圖（旋壓球4個）

圖4 滾珠數(shù)量對溝槽槽高的影響

2.2 微溝槽橫截面形貌分析

圖5和6是溝槽橫截面表面形貌圖。由圖5可知旋壓球數(shù)量為4時得到微溝槽深度和寬度較大，旋壓球數(shù)量為3時得到微溝槽深度和寬度較小。研究表明，在銅管速度保持不變時，在單位時間相同情況下，銅管壁的擠壓作用隨著滾珠數(shù)量減小而減小，另外作用的對稱性也隨著滾珠數(shù)量的減小而降低，最終導(dǎo)致內(nèi)壁微溝槽的深度變小。

圖5 V=45 cm/min和n=4的溝槽表面形貌

圖6 v=45cm/min和n=3的溝槽表面形貌

3 微溝槽管傳熱性能研究

通過旋壓成形后的微型溝槽管，通過清洗、焊接、漏檢、抽真空除氣、工質(zhì)提純和充裝以及熱管檢驗等，成形的為圓直熱管。實驗熱管選用的工質(zhì)為丙酮。測試微溝槽熱管的參數(shù)為：外徑為8 mm，槽深0.3 mm，長度300 mm.溝槽數(shù)60.其中熱管的蒸發(fā)段長度大約為82 mm，冷凝段長度大約82 mm，其余部分是絕熱段的長度。圖7為冷卻段、加熱段和絕熱段的溫度隨時間的響應(yīng)曲線圖。試驗分別測試了功率為10 W、20 W、30 W、40 W、50 W功能下的溫度響應(yīng)曲線。在小于10 W的加熱功率時，微溝槽熱管的蒸發(fā)段和絕熱段溫差很小，表面熱管基本工作正常。從圖7實驗表明，在不用加熱功率下，熱管只需很短的時間就可達到很高的工作溫度，表面熱管具有快速熱響應(yīng)能力；熱管啟動性能良好；加熱段和冷卻段的溫度變化保持在3℃范圍內(nèi)，熱管均溫性能良好；熱管極限功能大致50 W.

圖7 熱管溫度響應(yīng)曲線圖

4 結(jié)論

本文通過了對微溝槽旋壓成形工藝和微溝槽熱管的傳熱性能實驗測試和研究，得出銅管速度越小，微溝槽槽高越大；旋壓滾珠數(shù)量增加，溝槽高度逐漸增大，旋壓球數(shù)量越多，溝槽質(zhì)量更好，但根據(jù)工藝要求選擇適當?shù)男龎呵驍?shù)量。微溝槽熱管蒸發(fā)段和絕熱段溫差很小，短時間熱管就可達到很高的工作溫度，其具有快速熱響應(yīng)能力和良好的啟動性能，加熱段和冷卻段的溫度變化保持在3℃范圍內(nèi)，熱管均溫性能良好。

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[9]歐棟生，湯勇，萬珍平，等.微型直齒溝槽銅管充液旋壓-多級拉拔復(fù)合成形[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（12）：14-19.

Research on Spinning Process and Heat Transfer Performance of Micro Grooved Heat Pipe

WANG Yan-lei，SONG Xi-qian，ZHU Yan，JIANG Lin，ZHU Hong-guan，ZHAN Guang-hui
（Guangdong Long Feng Precision Copper Tube Co.，Ltd.，Zhuhai Guangdong 519045，China）

Experimental study on the forming process via high-speed oil-filled spinning and heat transfer performance of micro grooved heat pipe were studied.The effect of process parameters including drawing speed and the ball number on micro groove structures was discussed.The starting performance and power limit of the heat pipe were also tested by experiment.Moreover，the surface morphology of the cross section was analyzed.The results indicate that the height of micro groove decreases gradually with the increase of drawing speed；the more the ball number，the better the quality of the groove；the heat pipe has better starting performance and the temperature uniformity.

micro groove；process parameters；heat transfer；spinning

TG356.5

A

1672-545X（2017）06-0078-03

2017-03-27

廣東省省級科技研計劃資金項目（2016B090918096）

王焰磊（1966-），男，河南輝縣人，本科，工程師，主要從事精密銅管加工技術(shù)研究及新品開發(fā)。