微热管的小型电子设备对流换热的试验

2022-09-21 16:42:51 来源:写作指导

摘要:对比传统散热方式,微热管体积小、形状多变,且传热效率高,可在小空间强化自然对流传热中得以充分发挥。研究在封闭腔体内自然对流传热的基础上,通过试验对比纯空气自然对流(工况Ⅰ)、加入铝管(工况Ⅱ)和加入微热管(工况Ⅲ)3种散热方式,得出工况Ⅲ散热效果最佳。采用微热管对热源进行散热后,对流换热随着热源功率的增加而强烈,腔内空气温度与腔顶平均热流密度随着热源间距的增加而减少,热量更多地从微热管中传递扩散。

关键词:微热管;电子设备;自然对流;激光干涉;烟可视化

引言

电子设备因24h无休息、工作高度发热,亟须降温,对高热流密度、复杂形态电子电器设备进行散热可以有效降低电子设备降温所需的热负荷。近年来,微热管冷却技术以其体积小、安全性高、成本低、灵活性等优势已在一些领域替代传统的冷却技术。将微热管应用于小空间自然对流换热具有重要的研究意义,可为电子设备散热设计提供理论依据。对密闭腔体自然对流及微热管强化传热已有相关研究。张驰宇等[1]利用有限元分析法,通过COMSOL软件针对封闭腔体风口位置、腔体结构进行模拟仿真。Samy等[2]通过有限体积法求解连续性、动量和能量方程及其边界条件。结果表明,在发热体左右两端棱角处的Nusselt数最大,且发热体下方位置的传热效果最好。付丽蓉等[3]对密闭方腔内空气介质辐射与自然对流进行模拟试验,讨论Plank数和介质散射反射率的影响。王林成[4]等针对光伏电池散热问题提出微热管散热方案并进行试验,对微热管阵列的陈列方式,及冷凝端的长度进行优化设计。提出微热管更优的阵列方式、方向以及冷凝端长度。Valerie等[5]对三维条件下三角形阵列的微热管进行模拟,建立三维微热管阵列,并对模型进行三角形状布置,进而分析各种条件改变后的散热情况。王裴等[6]采用一种新型结构的微热管,通过对其在稳态传热和瞬态传热的不同条件进行研究,给出该微热管的传热规律。梁佳男[7]等发现,在低温下新型热管能有效提高锂电池的充放电效率,放电容量和充电容量都明显提高。微热管作为传热媒介散热与方腔自然对流散热都有一定的研究,而将微热管应用在电子设备热源散热的试验研究却较少。本研究通过激光全息干涉摄像和烟可视化摄像监测温度场和流场,分析散热媒介、热源功率、热源间距等因素对流动换热的影响,揭示空气流动换热规律,并利用数值模拟技术对结果进行验证。

1模型与问题描述

矩形腔体模型如图1所示。模型尺寸为:140mm×70mm×70mm;内部热源尺寸为:10mm×10mm×35mm。微热管长M为230mm,微热管宽度与热源高度相同,厚度均为3mm。为尽可能达到绝热的试验条件,密封矩形腔体设置为四周中空的玻璃壁面,间距为6mm;上下壁面为全铜材质,随着热源加热壁面逐渐与外界空气换热,为第三类边界条件。热源中心沿X轴放置于腔体底部,与垂直X轴壁面距离分别为a和b。将加热棒放入定制好的全铜空心热源内,连接变压器,通过电压表和电流表示数读取热源功率,全程实时通过热电偶监测温度变化。未折角的平板微热管用导热硅脂固定在热源一侧,微热管冷凝段与腔外空气进行自然对流换热,腔内空气初始速度U=V=W=0。微热管一侧固定在两热源表面,二者之间涂抹导热硅胶以减小接触热阻,另一侧伸出腔体与空气进行自然对流换热。

2试验原理及方法

研究引进激光全息干涉实验台,如图2所示,与微流烟风示踪可视化试验,试验光路如图3所示。全息干涉计量技术用以比较两个或多个波面形状的技术[8]。烟可视化试验通过柱面镜折射激光进入腔体内部,展示腔体内流场。

3结果与讨论

改变封闭腔体内热源散热媒介条件下,对比分析传热强弱。进一步分析在微热管介入自然对流后,改变热源温度和热源间距等条件可达到的强化传热效果。

3.1不同散热媒介下散热效果对比

根据实际情况,采用纯空气自然对流(工况Ⅰ)、加入铝管(工况Ⅱ)和加入微热管(工况Ⅲ),将热电偶布置在热源表面,记录热源温度在3种工况下的变化。热源表面温度变化趋势如图4所示,在0~16min内,3种散热条件的热源温度都呈增长趋势,这是由于常热流条件引起的温度升高现象,其中工况Ⅰ的热源温度最高,工况Ⅱ的热源温度最低。将4个热电偶均匀布置在腔体内部,取平均温度为腔体内空气温度,记录20min腔体内空气温度与腔外空气温度差值如图5所示。3种工况温差都呈增长态势,前4min内工况Ⅰ空气温度最低,工况Ⅲ温度最高;4~16min之间,温差顺序稍微改变,工况Ⅰ腔内空气温度依旧最低,工况Ⅱ最高;16min以后工况Ⅰ腔内空气温度依旧最低,工况Ⅲ最高。热源温度逐渐升高后,微热管整体温度也随之升高,与腔体内空气进行对流传热,导致腔内空气温度升高,可在后续试验过程中对微热管在腔内部分进行保温措施。进行电子设备自然对流传热时,不仅要考虑热源散热,也要保证腔内空气温度对其他元件的影响效果。工况Ⅰ热源温度不能达到满意的传热效果,工况Ⅲ腔内空气温度最高,加入微热管对热源和空气温度都能有效强化传热,综合考虑工况Ⅲ是非常可取的一种散热方法。

3.2不同热源功率对自然对流换热的影响

采用实时全息干涉技术对不同热源功率下腔内空气温度场进行记录,通过调节变压器改变热源功率,记录电压表的变化情况和电流表示数,取2W、4W、6W、8W、10W几种工况记录其实际温度场,如图6所示。热源功率不同时模拟温度场如图7所示。已知等温线越密集换热效果越好,功率增长的同时条纹间距减小,等温线逐渐密集,10W时换热效果最好。随着热源功率逐渐增加,腔内等温线逐渐密集,腔内空气温度整体升高,说明换热效果随功率增长而加强,验证了试验结果。

3.3不同热源间距对自然对流换热的影响

采用微流烟风示踪可视化试验,对不同热源间距10mm、50mm、75mm、100mm的腔内流场进行记录,结果如图8所示。当热源间距为10mm时,x轴和y轴截面均出现两个规则对称的涡卷,此时两热源间距较小,空气流动速度快,与上下壁面对流传热较强,微热管辅助传热较少。当热源间距为50mm时,空气在此间空白处流型呈现为两处规则对称涡卷,空气在此空间开始出现两个对称涡卷,腔内空气温度开始降低,说明通过上下壁面传热减少,微热管辅助传热增加。热源间距为75mm时,空气流速明显减小,两个对称涡卷相互消融,腔内空气温度继续降低。当热源间距为100mm时,此时热源离腔体壁面更近,两热源间距较远,热源周围涡卷互不干扰,腔内空气温度最低。不同热源间距模拟流场如图9所示。热源产生热量辐射整个腔体内部空气加速流动,流动轨迹与烟可视化试验轨迹几乎吻合,贴近热源表面的空气流速更快,且随着热源间距增加,流场图内流线随之减少,说明腔内通过模拟计算温度场,结果如图10所示。计算过程同时监测腔内空气平均温度,如图11所示。腔体上壁面的平均热流密度,如图12所示。等温线均以对称环形围绕在两个热源周围,两热源距离增加的同时,彼此之间温度场相互影响逐渐减小,腔内空气温度逐渐降低。热源间距增加的同时,腔内空气温度降低,腔体上壁面的平均热流密度也在降低,说明封闭腔体散热逐渐由通过上下壁面主导改为由微热管主导,与试验得出的结果一致。

4结语

通过无接触激光全息干涉技术和微流示踪可视化试验,配合Fluent模拟软件,对封闭腔体内离散热源散热进行分析,比较不同的散热方式、热源功率、热源距离等条件下的最佳条件,结论如下:(1)加入微热管对热源和空气温度都能有效强化传热,是非常可取的一种手段。(2)采用微热管对热源进行散热后,热源间距不变,对流换热随着热源功率的增加而强烈。(3)采用微热管对热源进行散热后,热源功率不变,腔内空气温度与腔顶平均热流密度随着热源间距的增加而减少,热量更多地从微热管中传递扩散。

作者:战乃岩 吴思洁 柴宇惟 李晓莉 苗盼 苏增强 单位:吉林建筑大学应急科学与工程学院