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随着电子元件集成度的不断提高，迫切需要紧凑型[1]和高性能的散热原件[2]，超薄平板热管作为一种新型热管[3]，扁平形状非常适合大功率散热[4]和有限空间的应用[5]。由于热管散热完全不同于液冷散热和风冷散热，热管具有无动力散热能力[6]，通过自身吸热工质相变并在冷凝段液化散热回流[7]，不要额外的风扇和泵驱动，极大地减少了电力的损耗[8]；此外液体散热还存在泄露的风险[9]，热管由于真空度较高[10]以及较长的维修周期[11]，弥补了液体散热的缺点[12]。
平板热管不仅具有传统圆热管高效的传热能力，均温性等优点，还具有大面积的吸热面和散热面[13]。Dang等[14]提出了一种脉动热管在数据中心机柜的冷却系统，并对传热性能进行了数值研究。Xin等[15]研究了微槽尺寸和沿轴向沟槽的微槽热管传热系数的影响。Li等[16]提出了一种带有双边拱形烧结芯的超薄铜热管，它采用6 mm圆形铜管压平。超薄铜热管的总热阻范围为0.02～0.60 K/W，最大传热量可以达到25 W。Tang等[17]提出了一种新的热管冷却方法，称为双端加热，它适用于冷却多个水平方向热源系统以及倾斜方向的热源系统。实验结果表明，采用该方法可以在水平和倾斜方向上明显提高热管的传热能力。
目前，热管研究大多是通过内部的结构来增强传热能力，但是热管制造完成后需要在实际的散热场合中应用，对热管的形状做出相应的改变，这样会影响热管的传热性能，不能以形状改变前的传热性能作为标准，但是现阶段很少有研究热管弯曲对传热性能的影响。本文通过改变超薄平板热管的弯曲角度，研究了传热温差，传热量，热阻，当量导热系数和热效率的指标。另外，还比较了水平热管和竖直热管的传热性能。
实 验
本实验中使用的超薄微槽道平板热管的长度为500 mm，宽度为60 mm，厚度仅为1.5 mm，内部有24个槽道腔室。管壁材料为铝，内部工作流体为丙酮，真空度为1×10－3 Pa，充液率为30％。热管的横截面如图1所示。每个微槽道腔室长2 mm，宽0.9 mm，间隔为0.48 mm。
使用同一个超薄平板热管在不同弯曲角度(90°、135°和竖直)下进行实验(分别如图2～4所示)。将热管分为三个部分，包括加热段，绝热段和冷凝段[9]。
图2 90°平板热管侧视图(单位：mm) 图3 135°平板热管侧视图(单位：mm)
在此实验过程中，为了更精确地测量每个段的温度，将12个直径为0.3 mm的K型热电偶连接到超薄平板热管。图5是超薄平板热管一侧的黏贴热电偶的分布图，另一侧对称粘贴。这样，可以更精确地测量平板热管各个部分的温度。加热段的温度测量点标记有点1、2，点5、6代表绝热段，点9、10代表冷凝段。
实验系统图如图6所示。热管的加热段用加热块进行加热，中间使用了隔热棉，虽然做了隔热措施，但是平板热管加热段加热侧的温度仍然较高，因此选用了加热段另一侧温度作为加热段的温度；为了避免加热块和热管的热量流失，分别对加热块、热管加热段和绝热段做了陶瓷保温棉绝热保温处理。在实验过程中，使用调压器调节加热块的加热功率。使用34972A安捷伦仪器测量超薄平板热管各段的温度。使用风机对冷凝段进行冷却，热管的冷凝段位于风道的中央。用直径为4 mm的皮托管测量气流速度，将风道的横截面分成六个等面积的小矩形，每个小矩形的中心位置作为测量点。用K型热电偶测量风道中的风温。实验条件见表1。
实验结果与分析
3.1 热管的启动特性
超薄微槽道平板热管的启动性能由冷凝温度和启动时间反映。在功率为100 W，风速为2 m/s的条件下，不同条件下平板热管的冷凝段温度随时间变化如图7所示。三种条件下热管的冷凝段的温度均随时间的增加而升高，显示了从加热段到冷凝段的传热过程。平板热管由竖直到弯折角135°，再到90°，工质蒸汽的上升阻力增大，导致热管冷凝段的蒸汽量减小，因此冷凝段温度逐渐降低，冷凝段温度的稳定时间逐渐增大。因此弯折角为90°的热管达到稳定所需的时间最多，而花费最少的时间为竖直热管。90°，135°和竖直热管稳定时间分别为31、24和18 min。
3.2 传热特性随风速的变化
本文采用加热段外壁温和冷凝段外壁温来替代工质的传热温差：
式中：Te为加热段外壁的平均温度，℃；Tc为冷凝段外壁的平均温度，℃[18]。
本次实验测量的是热管外壁的温度，热量由热管的内部到外壁会有一些损失，这会导致测量的温度偏低；此外，虽然冷凝段中的热电偶用保温棉包裹，但风道中的空气仍然要带走一定的热量，导致冷凝段的测量温度低于实际温度，因此通过测量算得的传热温差要比实际的传热温差高。
实验中的传热量用风道中空气的吸热量表示，计算公式为：
式中：C为空气的比热，J/(kg·℃)；ρ为空气密度，kg/m3；V为冷凝段冷空气流速，m/s；X为风道的截面积；Dt为风道冷风经过热管冷凝段的前后温差，℃。
虽然对风机的风道进行了保温绝热处理，但仍有少量的热量通过风道散失。因此，测得的传热量要低于实际的传热量。
当量导热系数可直接反映出热管的传热能力，公式为：
式中：leff为热管的有效长度，即冷凝段和加热段的长度和，m；A为整个热管的截面积(包括管壁部分)，m2。
实验在80 W的加热功率下进行。图8～9分别显示了风速和弯折角度对热管传热性能的影响。对于竖直热管，当风速从2 m/s上升到8 m/s时，传热温差和传热量分别增加5.3 ℃和33.2 W。热管的传热温差随着风速的增大而增大。风速越高，冷凝段和加热段的温度越低，但是冷凝段的温度下降得更剧烈，因此加热段和冷凝段之间的温差和热阻增大。同样，由于强对流换热增强，传热量随着风速的增加而增加[19]。此外，从平板热管弯折的角度来看，在相同风速条件下竖直热管的传热温差最小，而热管弯折角度为90°时传热温差最大。在3 m/s的风速和80 W的加热功率下，竖直热管的传热温差为22 ℃，仅是90°热管的0.5倍。热管在竖直情况下，蒸汽通过压差直接上升到冷凝段，工质蒸汽能够快速到达冷凝段，单位时间内到达冷凝段的工质蒸汽量较多，冷凝段存储了大量的高温蒸汽，因此冷凝段的温度较高。工质蒸汽冷凝后，通过重力[20]直接返回加热段，然后在重力和毛细作用下继续循环[21]。在135°的情况下，当工作流体从加热段流入冷凝段时，工作流体需要克服一定的因弯曲形状而引起的阻力。工质蒸汽不能立即上升到冷凝段，因此单位时间内到达冷凝段的工质蒸汽较少。冷凝后，液体工质需要克服一定的弯曲阻力返回到加热段，导致工质不能及时回到加热段，加热段容易发生烧干现象[22-23]，导致加热段和冷凝段的温差相对较高[24]。热管在弯折角90°的情况下，阻力最大，冷凝段的温度最低，均温性差。
在加热功率为80 W时，当量导热系数随风速变化的特性曲线见图10。当量导热系数随风速的增加而增加。对于在80 W加热功率下的竖直热管，当风速从2 m/s上升到8 m/s时，当量导热系数增加了5.48 kW/(m·K)。由于风速的增加，湍流程度增加，边界层减薄，热管的传热能力也得到提高。热管的折角对当量导热系数有显著影响；在8 m/s的风速下，竖直热管的当量导热系数为18.08 kW/(m·K)，而135°弯曲角下为12.77 kW/(m·K)，90°弯曲角的热管仅有8.26 kW/(m·K)。
3.3 加热功率对传热性能的影响
热阻是热管传热性能的重要指标，它代表单位热输送所需的温差。它的值越小，热管的导热性越好。计算公式为：
式中：Q为实际加热功率，即加热块的输出功率，W。
热效率是传热量和实际加热功率的对比，其计算公式为：
实验是在3 m/s的风速下进行的。如图11～12所示，热管的传热温差和传热量随加热功率的增加而增加。对于风速为3 m/s的竖直热管，当加热功率从30 W增加到100 W时，传热温差和传热量分别增加10.5 ℃和52.5 W。这是由于随着加热功率的增加，热管的加热段和冷凝段的温度随之增加，但是冷凝段由于没有接触热源，温度增加得较慢，因此热管的加热段和冷凝段的传热温差逐渐增大，而随着冷凝段的温度的提高，热管的传热量依赖冷凝段向周围空气散发的热量，因此传热量也随之提高。
在3 m/s的风速下，从图13～14可以看出，随着平板热管加热功率的增加，热阻减小，当量导热系数增大。对于竖直热管，热阻在30 W下为0.53 ℃/W，在100 W下为0.26 ℃/W，降低了0.27 ℃/W，因此可以得出随着加热功率的增加，热管的均温性更佳，热管的传热性能也就随之增加。而当量导热系数随着加热功率的增加而增加，当加热功率从30 W提高到100 W，竖直热管的当量导热系数增加了7.42 kW/(m·K)。
此外，本文还比较了3 m/s的情况下竖直热管、5 m/s的情况下135°弯折角度热管、8 m/s的情况下90°弯折角度热管的传热效率。在图15中，结果表明，弯折角度为90°的热管的热效率最高，而竖直热管的热效率最低。虽然热管的弯曲角度对传热性能有很大影响，但可以通过提高风速来弥补传热效率。
3.4 竖直热管和水平热管传热性能的对比
为了比较水平热管和竖直热管的传热性能，进行了相应的实验。水平热管和竖直热管在3和5 m/s风速下的热阻如图16所示。由图可得，竖直热管的热阻远低于水平热管的热阻。这是由于竖直热管加热段和冷凝段分界明显，加热段和冷凝段之间存在比较大的压差，促进了工质蒸汽的循环，而水平热管由于加热段和冷凝段都存在液体工质，加热段和冷凝段的压差并不明显，因此内部工质循环相比竖直热管较慢。当加热功率为80 W，风速为5 m/s时，竖直热管的热阻为0.29 ℃/W，几乎是水平热管所达到的0.63 ℃/W的一半。
图17显示了水平热管和竖直热管在3和5 m/s风速下的热效率。竖直热管的热效率远高于水平热管的热效率。在80 W加热功率和5 m/s风速的情况下，竖直热管的热效率比水平热管的热效率高0.31。
结 论
在这项研究中，对90°，135°弯曲角和竖直的超薄平板热管的传热性能进行了实验研究。结论如下：
(1)在100 W和2 m/s的风速下，90°，135°弯曲角度和竖直热管的启动时间分别为31、24和18 min。90°热管的启动时间最长，竖直热管的启动时间最短；
(2)在恒定加热功率下，热管的传热温差、传热量和当量导热系数都随风速的增加而增加。对于80 W加热功率下的竖直热管，当风速从2 m/s增至8 m/s时，传热温差、传热量和当量导热系数分别增加5.3 ℃，33.2 W和5.48 kW/(m·K)；
(3)随着加热功率的增加，在恒定风速下，热管的传热温差，传热量和当量导热系数增加，热阻减小。对于风速为3 m/s的竖直热管，当加热功率从30 W增加到100 W时，传热温差、传热量和当量导热系数分别增加10.5 ℃，52.5 W和7.42 kW/(m·K)，热阻降低了0.27 ℃/W；
(4)弯曲角度对传热性能有很大影响，功率为80 W的情况下，风速为3 m/s，竖直热管的当量导热系数达到12.6 kW/(m·K)，是90°热管的2.3倍；在8 m/s的风速下，竖直热管的当量导热系数达到18.08 kW/(m·K)，90°热管的当量导热系数仅为8.26 kW/(m·K)。尽管热管的弯曲角度对传热性能有很大影响，但可以通过提高冷凝段风速来弥补热效率；
(5)竖直热管的传热能力要比水平热管强。当加热功率为80 W，风速为5 m/s时，竖直热管的热阻约为水平热管的一半，热效率比水平传热管高0.31。
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作者：吴国强，苟湘单位：河北工业大学 能源与环境工程学院
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