连通微小通道环路热虹吸系统换热特性实验研究.pdf
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1、2023 年第 3 期总第 253 期低温工程CRYOGENICSNo.3 2023SumNo.253连通微小通道环路热虹吸系统换热特性实验研究王笑程许锦阳洪芳军(上海交通大学机械与动力工程学院上海 200240)摘要:针对芯片级散热场景,设计并搭建了两相环路热虹吸实验系统(TPLT),以 R245fa 作为工质,在冷凝器入口冷水温度为 35 、热流密度为 10162 W/cm2的工况下,研究了充液率对系统运行特性的影响,以及沟槽宽度为 0.21.2 mm 的连通平行微小通道(IPM)与平行微小通道(PPM)的沸腾换热性能。结果表明:40%是系统的合适充液率,过高的充液率导致冷凝器内部积液产生
2、额外的蒸发器入口过冷度,过低的充液率则无法提供足够的循环流量;由于蒸发器水平放置时,TPLT 系统流量启动存在滞后性,其瞬态启动特性会影响微小通道的稳态换热性能;0.2 mm 槽宽的连通微小通道(IPM02,命名方式下同)具有较好的核态沸腾换热性能,因此启动阶段不存在温度过冲;最高测试热流密度下,IPM02 和 IPM07 的传热系数相比于 PPM 分别提升约 11%和 5.7%,IPM12 的传热系数则反而低于 PPM。关键词:连通微小通道两相环路热虹吸运行特性充液率启动特性中图分类号:TKl24,TB663文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)03-0017-10收稿日期:
3、2023-02-24;修订日期:2023-05-30作者简介:王笑程,男,25 岁,硕士研究生。通信作者:洪芳军,男,47 岁,博士,教授。Experimental study of heat transfer characteristics ofloop thermosyphon with interconnected minichannelWang XiaochengXu JinyangHong Fangjun(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)Abstra
4、ct:For chip-level cooling scenarios,a two-phase loop thermosyphon system was de-signed and built using R245fa as the working fluid.Under the condition that the inlet cooling wa-ter temperature of the condenser was fixed at 35 and heat flux ranged from 10 to 162 W/cm2,the influence of the filling rat
5、io on system operating characteristics was first analyzed.Besides,the boiling heat transfer performance of interconnected parallel minichannels with slot width ran-ging from 0.2 to 1.2 mm as well as plain parallel minichannel(PPM)was investigated.The re-sults indicate that the filling ratio 40%is a
6、suitable filling ratio for the system,too high filling ra-tio causes internal liquid accumulation in the condenser and thereby additional subcooling at theevaporator inlet,while too low filling ratio is unable to provide enough circulation flow rate.Sincethere exists a delay in flow rate in a TPLT s
7、ystem when itsevaporator horizontally placed,the tran-sient startup characteristics of the system will influence the steady heat transfer performance ofminichannels.IPM02,who had relatively good nucleate boiling heat transfer performance,showed no temperature overshoot during the startup period.At t
8、he highest tested heat flux,IPM02低温工程2023 年and IPM07 had an increase in boiling heat transfer coefficient of approximately 11%and 5.7%compared with PPM,however IPM12 had lower boiling heat transfer coefficient than PPM.Theresults of this paper provide guidance for the design of interconnected minich
9、annels in TPLT sys-tems.Key words:interconnected minichannel;two-phase loop thermosyphon;operating character-istics;filling ratio;startup characteristics1引言两相环路热虹吸(Two-phase Loop Thermosyphon,TPLT)技术是一种在重力场下依靠高度差产生的气液柱压力差作为驱动力的自然循环散热技术,也被称为分离式热管。TPLT 技术具有换热能力强、节约能耗、热传输距离长、热阻小、管路容易布置以及换热器形式自由等优势1,相比于
10、传统的重力热管和毛细热管更具潜力,因此在电子芯片冷却领域中有着广泛的应用。但针对高热流密度散热需求,目前关于蒸发器换热性能提升方法的相关研究较少。Chauhan 和Kandlikar2所设计的 TPLT 系统采用了一种对称锥形歧管开放平行微通道,以 HFE-7000 为工质,最高实现了 26 W/cm2的散热热流密度,且发现锥角为 2时换热性能最优。Battaglia 等3采用歧管微通道,以R245fa 为工质,实现了 230 W/cm2的最高热流密度。Elkholy 等4以水和乙醇为工质,对比研究了机加工和 3D 打印两种制造方式对平行微通道换热性能的影响,发现对于两种工质,3D 打印的微通
11、道表面由于存在更多汽化核心,温度波动均更小,但其热阻更高,主要原因是制 造材料导 热系数 比 机 加 工 表 面 低。Wang 等5设计了一种蒸发器和冷凝器均可视化的TPLT 装置,以水为工质,对比研究了蒸发器采用的闭式和开放平行微通道两种结构对系统启动和运行特性的影响,发现开放微通道可以使系统在更低热负荷下启动,同时降低了系统热阻,不同热负荷下蒸发器出口温度波动也较小。目前 TPLT 系统的流动沸腾换热结构多为顺流平行微通道。传统的顺流平行微通道具有传热系数高、结构易于加工等优势。但同时存在诸多瓶颈,包括沿程压降大、沸腾存在不稳定性、均温性差等。近20 年来国内外学者针对传统平行微通道提出了
12、诸多不稳定性抑制方法和性能提升手段,其中连通平行微通道(Interconnected Parallel Microchannel,IPM)作为一种相对易于加工的方式,受到越来越多的关注。连通沟槽被证明具有多种强化沸腾换热的作用,主要包括增加成核位点、增加换热面积、提供膨胀空间、破坏流动和热边界层以及通道间流量再分配等6-9。Law等10在倾斜翅片微通道上对连通槽宽度的影响进行了实验研究,发现 0.15 mm 的连通槽相对于 0.3 mm和 0.45 mm 更有助于强化换热,由于对气泡合并的抑制作用较强,其压降也更小。Deng 等6研究了 形连通沟槽对于 形微通道的强化作用,对于水和乙醇,传 热
13、 系 数 分 别 增 加 40%280%和 28%61%。一些学者则在平行微通道上加工了几十微米级的连通槽,将其作为汽化核心使用,并具体研究了其强化作用。Ma 等11提出以侧壁上的 20 m 槽道作为人工的成核位点,发现其可在表面维持高频核态沸腾,并形成周期性的润湿作用,以提升 CHF 和传热系数。Cheng 等12针对深宽比为 2.5、微细窄缝宽度为 20 m 和 40 m 的连通微通道进行了对比实验研究,结果表明 40 m 的性能更优。梅响等13通过VOF 数值模拟,发现支流通道通过干扰主流流动,以及促进薄液膜形成的作用来提升换热性能,支流通道倾角为 45时换热性能最佳。此外,一些研究成果
14、也表明,在特定工况下,连通沟槽未必能起到强化换热的作用。Zhang 等7,14对于连通沟槽的强化作用进行了一系列实验研究,指出当流量较高时,连通沟槽反而降低换热性能,其原因是肋片周围液膜变厚增加了沸腾热阻所致,而过窄的沟槽反而会使换热性能明显下降。目前针对连通微通道的研究主要依托泵流体回路实验系统进行,其在热虹吸散热器中的强化换热效果研究成果较少。本研究针对小面积热源设计了一种具有储液功能的 TPLT 系 统,采 用 深 宽 比 为 4、水 力 直 径 为1.6 mm、连通沟槽宽度为 0.2 mm(IPM02)、0.7 mm(IPM07)和 1.2 mm(IPM12)的微小通道作为蒸发器换热结
15、构,以 R245fa 为工质,在冷源温度 35 的工况下,与平行微小通道(PPM)的换热性能进行了对比研究。结合气液两相流可视化图像,分析不同连通81第 3 期连通微小通道环路热虹吸系统换热特性实验研究微小通道的流动沸腾换热性能差异和原因。2实验系统和方法2.1实验系统及设备图 1 和图 2 所示分别为本研究所搭建的 TPLT 系统示意图和实物图,主要由蒸发器、上升管、冷凝器、第一下降管、储液器和第二下降管组成,各部分依次按逆时针方向连接。蒸发器和冷凝器均水平放置,两者的垂直高度差(冷凝器中部至蒸发器底部)为 84 cm。图 1TPLT 实验系统示意图Fig.1Schematic of TPL
16、T experimental system图 2TPLT 实验系统实物图Fig.2Physical view of TPLT experimental system储液器安装于冷凝器下游,除了能起到降低充液率敏感性的作用15,也有助于排出系统内的不凝性气体16。储液器采用自行设计的不锈钢 304 压力容器,高 150 mm,底面直径为 60 mm,其与蒸发器的垂直高度差(储液器底部至蒸发器底部)为 52 cm。液位计采用外径 10 mm,内径 6.5 mm 的透明 PU 软管。除液位计和流量计处,连接管道均为外径 9.53 mm、内径 7.05 mm 的不锈钢 316L 管。冷凝器采用自行设计
17、的矩形小通道水冷板,冷却端采用去离子水为移热介质,通过 PU 软管与恒温冷水机连接,组成冷却水循环回路。管道和主要部件外部均包有保温棉用于减少漏热。蒸发器分为下部加热模块和上部蒸发腔,具体结构如图 3 所示,蒸发腔通过螺栓紧固于加热模块上,充分挤压加热铜块和测试表面之间的导热硅脂以降低导热热阻。在加热模块中,热量由加热铜块中的 6根弹筒式加热棒(单根最大功率为 225 W)提供,大功率直流电源实现供电。在加热铜块周围采用电木块作为保温材料。加热铜块距离顶面 8 mm 设置了 5个测温点用于监测加热铜块内部温度,防止其温度过高导致保温材料熔化。蒸发腔上部由不锈钢盖板、上部石英玻 璃块、聚四氟 乙
18、 烯(Polytetrafluoroethyl-ene,PTFE)垫圈和铝合金盖板组成,下部主要由聚91低温工程2023 年醚醚酮(Polyether-Ether-Ketone,PEEK)流动腔体、下部石英玻璃块、PEEK 底板,不锈钢底板、不锈钢射流孔板和测试表面组成,上下部分分别进行组装和密封。上下玻璃块之间使用聚氨酯(Thermoplasticpolyurethanes,TPU)膜填补间隙防止碎裂。微小通道入口供液方式采用射流,考虑到加工和装配时的公差,射流孔设计为直径 1.2 mm 的圆孔,略大于通道宽度。测试表面和 PEEK 底板之间使用室温硫化硅橡胶实现密封,其余位置均采用丁晴 O
19、 型圈机械密封。加热铜块和测试表面之间填充有导热硅脂以降低导热热阻。图 3蒸发器结构示意图Fig.3Schematic of evaporator structure本研究设计并加工了图 4 所示的常规平行微小通道(PPM),以及图 5 所示的0.2 mm(IPM02)、0.7mm(IPM07)和 1.2 mm(IPM12)3 种不同连通槽尺寸的连通微小通道,微通道宽度和高度分别为 1 mm 和4 mm,肋片厚度为 1 mm,换热面底部投影尺寸为30 mm(长)16 mm(宽),与加热铜块基底的尺寸完全一致,换热面到测温点的距离为 2.2 mm。其中,IPM02 的 0.2 mm 连通槽采用电
20、火花线切割进行加工,其余部分均采用铣削加工。图 4常规平行微小通道(PPM)示意图Fig.4Schematic of plain parallel minichannel(PPM)图 5单根微小通道示意图Fig.5Schematics of single minichannel所有微小通道测试件的材质均为无氧铜 TU2,其热扩散系数采用激光导热仪进行测量,测量误差为 3%,定压比热数据参考文献17-18,导热系数数据采用公式 k=apcp来进行计算,数据如表 1 所示,不同温度下导热系数采用线性插值进行计算,参考温度为加热面温度和饱和温度的平均值。底面测温点布置如图 6 所示,测温点在中轴线上
21、均匀分布。两点之间相距 5 mm。02第 3 期连通微小通道环路热虹吸系统换热特性实验研究表 1无氧铜 TU2 导热系数Table 1Thermal conductivity of oxygen-free copper TU2温度/热扩散系数/(mm2/s)定压比热cp/(J/(kgK)导热系数kCu/(W/(mK)50118.567388.973410.075116.934392.986408.5100115.403396.998407.3125113.929401.011406.2150112.366405.023404.6图 6加热面测温点布置Fig.6Configuration of
22、temperature measuringpoint on heating surface2.2实验流程在开始正式实验之前,需做如下准备工作。(1)气密性测试:本实验采用高压氮气作为检漏介质。测试时需先保证系统中无残留液体或蒸汽,否则需要对系统进行抽真空。测试时先向系统中通入氮气直至系统内部初始压力为 4 105Pa(绝对压力),随 后关闭阀门。该情 况 下,若 系 统 漏 率 低 于2 Pa/min,则满足气密性要求,可以进行下一步骤;若系统漏率高于 2 Pa/min,则对系统进行漏点检测和修补,直至漏率达到气密性要求。(2)抽真空:将系统内部高压氮气排出后,使用真空泵对系统内部抽真空 30
23、 min 以上。(3)工质充灌:将外部储液罐、三通阀和系统按图 1 所示的方法进行连接,先打开阀门 B,关闭阀门A 和 C,打开真空泵以抽除三通阀内部的不凝性气体;抽真空完成后关闭阀门 B,并先后打开阀门 A 和C 进行工质充灌,直至液位达到液位计内指定高度,关闭阀门 A 和 C,结束充灌,并对外部储液罐进行称重,其充灌过程前后的质量差即为回路内工质总质量;三通阀内体积较小,且由于重力作用,流体在三通阀中仅有极少量的残留,因此三通阀导致的充液质量误差可以忽略不计。正式实验的主要步骤如下:(1)开启恒温冷水机并将冷水温度设定为指定温度,待冷水温度达到指定温度后,开启蒸发器用加热电源,将起步功率调
24、整至 50 W。(2)待系统产生稳定流量后,开启排气口阀门(保持较小开度)10 s 后将其关闭,若系统压力可以回升至开启前的压力,则继续等待数据稳定;若系统压力无法回升至开启前的压力,则重复该操作,直至系统内压力不再降低,此时可认为系统内的不凝性气体已基本被除尽。(3)待系统流量、各处温度和压力稳定或保持稳定波动 2 min 后,记录数据,并将加热功率调整至下一工况点,并重复上述步骤,后续工况点均按此方法进行操作和记录,当出现铜块下排测温点出现温度飙升、铜块下排温度超过 150 或长时间持续上升无法稳定时,判定该组实验结束。(4)实验结束后,立即关闭加热电源,调节冷水机出口冷水温度至 20 以
25、下,降低系统饱和压力使内部流体温度降低,同时由于系统内循环流量降为0,需要拆除蒸发器表面保温棉,并使用机械风扇对其单独进行冷却。冷却约 1 h 后系统内流体和加热铜块温度降至室温,关闭冷水机和机械风扇。2.3数据的采集与处理实验台的压力测量设备采用扩散硅压阻式压力传感器,在蒸发器出口和冷凝器进口分别安装了一压力传感器用于静压测量。蒸发器两侧安装了一压差传感器用于测量蒸发器的压降。测温仪器采用 T 型热电偶,在蒸发器和冷凝器的进出口分别安装了一铠装热电偶用于温度测量,加热面底部和加热铜块内部的温度则采用自行焊接的线装热电偶进行测量。对于循环流量的测量,考虑到涡轮流量计、质量流量计等传统的管段式流
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