硅基微型振荡热管的流动可视化实验研究

利用MEMS技术,首次在硅基芯片上加工制作了梯形截面的微型振荡热管.借助摄像机,对以FC-72为工质的两个通道水力直径分别为352μm(#1)和394μm(#2)的微型振荡热管的启动和稳定情况下的运动特征和流型等进行了可视化观察.结果发现微型振荡热管的启动相当迅速,在启动过程中没有观察到明显的核化现象,蒸发段内的汽塞主要通过液塞断裂而产生;进入稳定阶段后,微型振荡热管对倾斜角度的适应性较强,在10°～90°的范围都可实现持续稳定的大幅振荡,但只在#2热管内明显地观察到工质的单向循环运动.实验中观察到泡状流、塞状流、环状流、半环状流和波环状流等,而核态沸腾只发生在#2热管的蒸发段,在其冷凝段还观察到了喷射流.

微型硅基振荡热管传热特性

研究了当量直径352μm梯形截面微型硅基振荡热管的传热特性。以FC-72和R113为工质,讨论了重力、充液率和工质等因素对微热管传热性能的影响。实验结果发现,在该通道直径或Bond数为0.45时微热管可以有效振荡运行,虽然此时表面张力作用显著,但不能忽略重力对其传热性能的影响。当倾角大于10°、充液率介于30%和65%之间时微热管具有振荡运动的特征,可显著增强传热效果。微热管分别以FC-72和R113为工质时,对应的最佳充液率分别为55%和41%。在加热功率为8.5W的情况下,与未充注工质时相比,热管在最佳充液率下的热阻最大可分别下降约56.5%(FC-72)和59.7%(R113)。在热负荷较低情况下,实验发现选用R113时微热管的传热效果优于充注FC-72的热管,但使用后者时热管可以承受更高的热负荷。

微型振荡热管非典型振荡的实验研究

对水力直径分别为407.2μm(#1)和305.4μm(#2)的硅基梯形截面通道的闭合回路平板振荡热管(FP-CLPHP),以R113为工质进行了一系列实验。微通道热管中可能出现非典型振荡,与典型振荡相比主要区别在于工质返回加热端的驱动力不同。研究了此换热方式的热阻R在不同倾角(0°至90°)不同充液率下(30%至70%),于加热功率2 W至10 W的变化情况。以相对空管导热热阻下降作为换热性能提升指标,两热管热阻降低分别为16.5℃/W(65.8%)和8.3℃/W(44.3%),且非典型振荡对充液率的适应性比典型振荡更好。重力对换热有明显提升效果,管径增大也可稍微提升换热。水平工况的换热性能较差,呈现的是工质对加热端长周期的间歇性冲刷。

等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较

为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%～60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。