文 雯， 劉家駒， 周思杰， 張 平

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

電子技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要助推劑，而且已經(jīng)成為人類(lèi)文明發(fā)展的重要組成部分，電子器件尺寸的縮小和速度的增加趨勢(shì)導(dǎo)致溫度敏感器件的熱流密度增大，電子設(shè)備的有效冷卻成為當(dāng)今的一個(gè)重要問(wèn)題。脈動(dòng)熱管由Akachi[1]提出，其傳熱原理為依靠?jī)?nèi)部工質(zhì)相變進(jìn)行，是最高效的傳熱設(shè)備之一。由于其具有體積小、可靠性高、無(wú)燈芯結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注,是冷卻電子系統(tǒng)的最佳選擇之一[2-3]。

納米流體不僅具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱面積[4]，而且可以增加脈動(dòng)熱管的活性成核位點(diǎn)，目前利用納米流體作為脈動(dòng)熱管的工作流體是一種很有吸引力的強(qiáng)化傳熱技術(shù)[5-7]。磁流體是納米流體中一種特殊的存在，是一種由非磁性基底流體和磁性納米粒子組成的懸浮液[8]。朱海濤等[9]使用熱線法測(cè)定自主研制的納米流體的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出很高的傳熱性能。Ma等[10]采用金剛石-水納米流體進(jìn)行傳熱實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磁流體熱管冷熱兩端的溫差要比一般的工質(zhì)低很多。Hong等[11]對(duì)鐵納米流體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，探究了熱導(dǎo)率與工質(zhì)本身屬性及含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)磁流體熱導(dǎo)率大小的變化由多種原因共同影響。

鐵磁流體是一種很有前途的磁流體，具有相當(dāng)大的導(dǎo)熱系數(shù)[12-13]，并能增強(qiáng)傳熱，外加磁場(chǎng)也會(huì)影響鐵磁流體脈動(dòng)熱管的熱性能。邱晟華等[14]采用Fe3O4-水磁流體在不同熱負(fù)荷的加載下對(duì)水和磁流體的熱阻變化進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)首次測(cè)試了恒定磁場(chǎng)對(duì)磁流體脈動(dòng)熱管的影響作用，得出恒定磁場(chǎng)對(duì)脈動(dòng)熱管具有一定的阻礙作用。Kang等[15]同時(shí)對(duì)玻璃脈動(dòng)熱管進(jìn)行了熱阻測(cè)量和可視化，研究結(jié)果成功顯示粒子在磁場(chǎng)作用下的沉積和沸騰強(qiáng)化現(xiàn)象。Mohammadi等[16-17]研究了工作流體、熱輸入、充電比、磁體傾斜角、磁體位置和磁性納米流體體積濃度等因素對(duì)熱管熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)用鐵磁流體作為工作流體可以顯著提高熱性能，在鐵磁流體脈動(dòng)熱管上施加磁場(chǎng)可以降低其熱阻。Zhao等[18]研究了含磁性納米流體的振蕩熱管，結(jié)果表明磁場(chǎng)可以影響磁性納米流體的振蕩運(yùn)動(dòng)，提高其傳熱性能，磁性納米粒子在磁場(chǎng)中可以降低振蕩運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)功率，提高傳熱性能。Xuan等[19]采用晶格Boltzmann方法模擬納米磁流體流過(guò)微通道的流動(dòng)和熱過(guò)程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場(chǎng)梯度方向與流體流動(dòng)方向平行時(shí)，強(qiáng)化傳熱效果最顯著。Goshayeshi等[20-21]進(jìn)行銅振蕩熱管的可視化實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)量了有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)情況下Fe2O3/煤油納米流體熱管的溫度分布和換熱率，發(fā)現(xiàn)在磁場(chǎng)作用下，振蕩熱管的熱性能和傳熱系數(shù)在加入納米Fe2O3粒子后獲得提高。因此，磁性流體在強(qiáng)化傳熱方面有巨大的上升空間。但磁性納米流體的熱物理性質(zhì)很大程度依賴(lài)于外部環(huán)境磁場(chǎng)的類(lèi)型和條件，在不同的磁場(chǎng)環(huán)境中，磁流體表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。

鑒于磁性納米流體在磁場(chǎng)作用下可以控制和改善沸騰傳熱，擬通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)中不同方向及不同強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)的方法，以強(qiáng)化納米磁流體脈動(dòng)熱管的傳熱性能，為散熱研究的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的借鑒指導(dǎo)。

1 可視化實(shí)驗(yàn)裝置

采用高精度真空灌裝裝置將工作液灌裝到脈動(dòng)熱管中。圖1為整體測(cè)試裝置的示意圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

加熱系統(tǒng)由東莞邁盛電源科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MP1205D的直流電源及不銹鋼加熱板組成。直流電源最高可提供120 V的電壓、5 A的電流，且可以直接在顯示面板中讀出數(shù)值。加熱板采用螺栓固定在加熱板上，在加熱板與脈動(dòng)熱管的接觸面之間均勻涂覆一層導(dǎo)熱硅脂，以減小接觸熱阻。

恒溫水浴由北京長(zhǎng)流科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號(hào)為HX-105，溫度調(diào)節(jié)范圍為-10～95 ℃，控溫精度為±0.05 ℃，實(shí)驗(yàn)中的恒溫水浴統(tǒng)一設(shè)置為20 ℃。

數(shù)據(jù)采集儀為美國(guó)KEITHLEY公司生產(chǎn)的吉時(shí)利2700型數(shù)據(jù)采集儀，配合7700型數(shù)據(jù)采集卡使用，最多可連接20根熱電偶，并且可通過(guò)電腦端的程控軟件ExceLINX進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及保存操作。系統(tǒng)中蒸發(fā)器與冷凝器的溫度通過(guò)直徑為0.127 mm的K型鎳硅-鎳鉻熱電偶進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖像采集系統(tǒng)主要組成部分為高速攝像機(jī)和大功率LED燈。高速攝像機(jī)選用德國(guó)生產(chǎn)的型號(hào)為dimax HD、全分辨率為1 920像素×1 080像素的儀器，為了使拍攝的圖像效果良好，采用大功率LED燈為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)補(bǔ)光。

脈動(dòng)熱管的幾何參數(shù)如表1所示。使用2 T的永磁體對(duì)脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段施加磁場(chǎng)，磁鐵的尺寸為90 mm×45 mm×20 mm。通過(guò)控制磁鐵與脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段之間的距離控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，而磁場(chǎng)方向通過(guò)如圖2所示的2種磁場(chǎng)擺放位置進(jìn)行控制。

表1 熱管配置

圖2 永磁體擺放位置示意圖

2 管內(nèi)流型的觀測(cè)結(jié)果

對(duì)于同一種工質(zhì)，在不同的加熱功率下，工質(zhì)的流動(dòng)特性也不相同。實(shí)驗(yàn)中所觀察到的工質(zhì)流動(dòng)方式主要有3種：脈動(dòng)流動(dòng)、脈動(dòng)與循環(huán)交替流動(dòng)和循環(huán)流動(dòng)。脈動(dòng)熱管可視化圖像如圖3所示。

如圖3(a)所示，脈動(dòng)未啟動(dòng)時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，幾乎所有的納米粒子都被拉到蒸發(fā)端，管中出現(xiàn)工質(zhì)的清晰外觀。因此，納米粒子能夠創(chuàng)造更多的活性成核位點(diǎn)，增強(qiáng)了成核沸騰，可擁有更高的氣泡生成和生長(zhǎng)速率。

隨著加熱功率的逐漸提高，不斷增強(qiáng)的流體平流作用將納米顆粒從蒸發(fā)底端除去，從而改變納米顆粒沉積表面的形貌，出現(xiàn)工質(zhì)的脈動(dòng)流動(dòng)的現(xiàn)象，如圖3(b)所示。脈動(dòng)流動(dòng)通常發(fā)生在外部加熱條件不充足的低功率階段，此時(shí)，在蒸發(fā)端積累的壓力不足以驅(qū)動(dòng)液柱繞過(guò)彎頭，并且液柱只能以一定的幅度上下振蕩。

圖3(c)為脈動(dòng)與循環(huán)交替流動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。液柱被蒸發(fā)的末端氣體柱推過(guò)彎頭，到達(dá)相鄰?fù)ǖ?，然后吸收熱量并在相鄰?fù)ǖ乐姓舭l(fā)，產(chǎn)生的反向壓力差再次將液體柱推回，如此循環(huán)往復(fù)。隨著工質(zhì)的沸騰越來(lái)越劇烈，液柱振蕩的慣性也隨之增加。液柱進(jìn)入相鄰槽道后克服了相鄰槽道蒸發(fā)端處的蒸汽壓力，形成了如圖3(d)所示的單向循環(huán)流動(dòng)。

圖3 脈動(dòng)熱管可視化圖像

3 熱性能的測(cè)試結(jié)果與討論

為了對(duì)磁性納米流體脈動(dòng)熱管在不同磁場(chǎng)條件下設(shè)定一個(gè)對(duì)比基線，磁場(chǎng)測(cè)試前，對(duì)相同的脈動(dòng)熱管進(jìn)行了無(wú)磁場(chǎng)條件下的熱性能測(cè)試。脈動(dòng)熱管的熱阻是熱性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，熱阻

(1)

圖4為無(wú)磁場(chǎng)情況下Fe3O4/乙醇納米流體脈動(dòng)熱管熱阻隨加熱功率大小的變化情況，隨著加熱功率的增大，曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)合磁流體的運(yùn)行模式可看出，在小功率的熱負(fù)荷范圍內(nèi)，傳熱方式僅靠自身鋁板進(jìn)行熱量輸送時(shí)，熱阻的下降趨勢(shì)較慢；隨著加熱功率的增加，脈動(dòng)熱管開(kāi)始依靠?jī)?nèi)部相變進(jìn)行傳熱，熱阻的下降幅度變大。

圖4 無(wú)磁場(chǎng)工況下熱阻的變化曲線

圖5為無(wú)磁場(chǎng)工況下對(duì)應(yīng)的熱電偶溫度曲線。由于冷凝器水流量較大，實(shí)驗(yàn)中冷凝端溫度幾乎保持恒定，冷凝端溫度變化曲線相對(duì)平緩。而蒸發(fā)端的溫度變化曲線顯示，3 000 s后即60 W后溫度變化曲線出現(xiàn)波動(dòng)，表明脈動(dòng)熱管出現(xiàn)啟動(dòng)振蕩的現(xiàn)象。

圖5 無(wú)磁場(chǎng)工況下溫度的變化曲線

圖6為永磁體置于脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端正下方時(shí)，熱阻值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度大小變化的曲線。在磁場(chǎng)存在的情況下，隨著加熱功率的增加，脈動(dòng)式熱管的熱阻呈下降趨勢(shì)。在低加熱功率范圍時(shí)，熱管在有無(wú)磁場(chǎng)的作用下都表現(xiàn)出相似的散熱能力，這是因?yàn)榇藭r(shí)脈動(dòng)熱管尚處于熱量積累時(shí)期，管內(nèi)氣/液相變傳熱還未啟動(dòng)，蒸發(fā)端的熱量主要靠鋁板本身傳導(dǎo)至冷凝端。加熱功率為80 W時(shí)，磁場(chǎng)工況比無(wú)磁場(chǎng)工況熱阻值明顯大得多。結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)分析可知，無(wú)磁場(chǎng)工況下脈動(dòng)熱管此時(shí)正處于小幅的脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)，而磁場(chǎng)工況磁流體因受磁場(chǎng)的作用，磁力和流動(dòng)阻力大于管內(nèi)壓差的作用力，使得脈動(dòng)熱管還處于未啟動(dòng)的狀態(tài)，所以散熱能力較弱，表現(xiàn)出熱阻值較大。80 W后，管內(nèi)壓差作用力占比變大，脈動(dòng)熱管開(kāi)始啟動(dòng)，而永磁體距離脈動(dòng)熱管越遠(yuǎn)，磁力就越小，阻礙工質(zhì)蒸發(fā)向冷凝端流動(dòng)的力就越小，因此熱管表現(xiàn)出隨著磁場(chǎng)距離的增大，熱阻降低的現(xiàn)象。而置于脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段正后方6 cm與10 cm工況下的熱阻值相差不大，主要是因?yàn)榇艌?chǎng)強(qiáng)度的變化與距離的改變并不呈線性關(guān)系。由數(shù)字高斯計(jì)測(cè)得，永磁體置于距脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端2、6、10 cm時(shí)的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為25、5、1 mT。

圖6 永磁體置于正下方時(shí)不同場(chǎng)強(qiáng)大小下熱阻的變化曲線

永磁體置于脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端正后方時(shí)，在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的條件下，F(xiàn)e3O4/乙醇基液納米流體脈動(dòng)熱管熱阻隨著加熱功率的增加而呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，如圖7所示。與永磁體放置在脈動(dòng)熱管的正下方相比，二者相似點(diǎn)為，脈動(dòng)熱管處于磁場(chǎng)工況要比無(wú)磁場(chǎng)工況表現(xiàn)出較難啟動(dòng)的現(xiàn)象；不同點(diǎn)在于，置于正后方的3種不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)在80 W時(shí)對(duì)脈動(dòng)熱管的影響表現(xiàn)出幾乎一樣的現(xiàn)象，且在高加熱功率140 W的熱負(fù)荷下，處于正后方2 cm的磁場(chǎng)工況表現(xiàn)出對(duì)脈動(dòng)熱管的傳熱性能為抑制作用，主要因?yàn)橹糜谡蠓降挠来朋w對(duì)脈動(dòng)熱管施加的磁場(chǎng)改變?cè)从诖帕黧w本身的物理性質(zhì)——粘度與熱導(dǎo)率，增加粘度會(huì)降低流動(dòng)速度，改變熱導(dǎo)率也改變了熱量傳輸能力。

圖7 永磁體置于正后方時(shí)不同場(chǎng)強(qiáng)大小下熱阻的變化曲線

圖8為不同磁鐵位置對(duì)阻值變化的影響曲線。在較低的加熱功率下(80 W前)，熱阻值幾乎不變，只在一個(gè)小區(qū)間波動(dòng)。而在高功率負(fù)荷下，磁場(chǎng)置于脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端正下方的熱阻變化曲線下降得遠(yuǎn)比正后方的快。置于正下方的熱阻由80 W時(shí)的0.63 ℃/W降到加熱功率為140 W時(shí)的0.403 ℃/W；而置于正后方的熱阻由80 W時(shí)的0.625 ℃/W只降到140 W時(shí)的0.479 ℃/W。實(shí)質(zhì)上，置于脈動(dòng)熱管正后方的永磁體施加的磁場(chǎng)，改變的是磁流體粘度與熱導(dǎo)率這兩輸運(yùn)參數(shù)；而置于正下方永磁體主要是通過(guò)施加的磁場(chǎng)力改變動(dòng)量變化率。即“微重力”加快了顯熱傳熱，對(duì)流動(dòng)運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)矢量可控性，因此比只改變磁流體物性參數(shù)的影響作用大，能夠更多地優(yōu)化脈動(dòng)熱管的傳熱性能。

圖8 不同磁場(chǎng)方向下熱阻變化對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明，磁場(chǎng)對(duì)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和運(yùn)行有重要影響，不同的加熱功率、不同的磁場(chǎng)方向以及不同的場(chǎng)強(qiáng)大小呈現(xiàn)出較大差別的相關(guān)性。在低加熱功率的工況下，磁場(chǎng)對(duì)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能發(fā)揮阻擾作用；而在大多數(shù)高加熱功率的工況下，磁場(chǎng)對(duì)脈動(dòng)熱管的傳熱性能發(fā)揮提升作用，其中磁場(chǎng)置于正下方的工況對(duì)脈動(dòng)熱管的傳熱性能影響更大。