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      本文根據(jù)熱管各部分的功能差異，以納米多孔銅粉和不規(guī)則銅粉為原料，設(shè)計(jì)并制備了一種新型多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管；該熱管蒸發(fā)段多孔芯為兩層結(jié)構(gòu)，管壁側(cè)為由納米多孔銅粉燒結(jié)而成的小孔隙層，工質(zhì)腔側(cè)為由不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的大孔隙層，絕熱段和冷凝段多孔芯則均為由不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的大孔隙層。采用自組裝的傳熱性能測試裝置研究了熱管的傳熱性能。結(jié)果表明：多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的小孔隙層可以提供較高的毛細(xì)力，大孔隙層可以提供較大的工質(zhì)流動通道，從而提升熱管傳熱能力；與單層均勻多孔芯熱管相比，多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管表現(xiàn)出了更高的抗重力傳熱能力，在完全抗重力條件下(傾斜角度為90°)的傳熱極限功率高達(dá)90W，比由納米多孔銅粉和不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的單層均勻多孔芯熱管分別提升了2.9倍和2.3倍。

 

1 試樣制備與試驗(yàn)方法 ?

 

1.1 試樣制備

 

      試驗(yàn)材料包括不規(guī)則CuZn50合金粉、不規(guī)則銅粉、磷脫氧銅管、高純水以及不銹鋼芯棒。

 

 

     采用腐蝕脫合金化技術(shù)制備納米多孔銅粉。搭建如圖1所示的腐蝕裝置，腐蝕液組成為1.5mol·L-1NH4Cl和3mol·L-1HCl，通入氬氣除氧后將燒瓶放置于恒溫水浴鍋中，再倒入CuZn50合金粉，腐蝕后清洗干燥得到納米多孔銅粉。將制備的納米多孔銅粉過兩層篩網(wǎng)，不規(guī)則銅粉同樣過兩層篩網(wǎng)，取兩層篩網(wǎng)中間的物料作為制備熱管多孔芯的原料。

 

 

     多孔芯熱管的常規(guī)制備過程如圖2所示。使用銅管切割機(jī)將磷脫氧銅管切割成長度在237~257mm的短管，再使用銅管縮管機(jī)將銅管一端的外徑從6mm旋壓模鍛至4mm，內(nèi)徑為3.6mm，縮管部分長50mm。將不銹鋼芯棒表面均勻涂抹脫模劑，干燥后插入到磷脫氧銅管中，固定于銅管正中以保證在銅管內(nèi)壁燒結(jié)得到厚度均勻的多孔芯。在銅管和芯棒之間的空隙中填入原料粉末，放入石英管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，同時(shí)向爐內(nèi)通入氬氣以避免試樣氧化。試樣燒結(jié)冷卻后，用鉗子緩慢將不銹鋼芯棒取出，對銅管的填粉端側(cè)進(jìn)行管徑收縮及焊接封口處理，然后從縮管端向銅管內(nèi)注入高純水。為了去除銅管內(nèi)的空氣,使用旋轉(zhuǎn)真空泵進(jìn)行抽真空處理，為避免管內(nèi)高純水的蒸發(fā)，調(diào)節(jié)針形閥將真空泵在1.01×105Pa氣壓下的抽氣流量控制在0.1~0.3m3·h-1之間。抽真空操作結(jié)束后，利用銅管冷焊封口機(jī)進(jìn)行機(jī)械冷焊和二次除氣，最后用氬弧焊機(jī)對銅管兩端進(jìn)行永久密封，得到多孔芯熱管。

 

      研究人員構(gòu)建的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的制備工藝如下：第一步，制備蒸發(fā)段管壁側(cè)由納米多孔銅粉燒結(jié)而成的小孔隙層。首先在銅管中放入直徑為4.2mm的不銹鋼芯棒，在芯棒和銅管之間的空隙中填充納米多孔銅粉，粉末振實(shí)后的高度為50mm(保證多孔銅粉只充滿熱管的蒸發(fā)段)，然后將整個試樣豎直放入燒結(jié)爐中，在800℃下燒結(jié)30min，在蒸發(fā)段管壁側(cè)獲得厚度為0.5mm的小孔隙層。第二步，制備蒸發(fā)段工質(zhì)腔側(cè)以及絕熱段和冷凝段由不規(guī)則銅粉構(gòu)成的大孔隙層。在第一步燒結(jié)的試樣中放入直徑3.0mm的不銹鋼芯棒，在芯棒和銅管之間的空隙中填充不規(guī)則銅粉，振實(shí)后將整個試樣豎直放入燒結(jié)爐中，在800℃下燒結(jié)30min，從而獲得大孔隙層，其中蒸發(fā)段工質(zhì)腔側(cè)大孔隙層厚0.6mm，絕熱段和冷凝段厚度均為1.1mm。最終燒結(jié)得到的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯孔隙結(jié)構(gòu)如圖3所示。

 

 

     為了進(jìn)行對比，還制備了兩種單層均勻多孔芯熱管。一種多孔芯由納米多孔銅粉燒結(jié)而成(簡稱單層芯A)，其孔結(jié)構(gòu)包含納米多孔銅粉本身的納米孔和顆粒燒結(jié)形成的微米孔；另一種多孔芯由不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成(簡稱單層芯B)，其孔結(jié)構(gòu)為顆粒燒結(jié)形成的微米孔。這兩種多孔芯的厚度也均為1.1mm。納米多孔銅粉和不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的單層均勻多孔芯熱管中的充液量分別為1.76，1.55g，多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管中的充液量為1.80g。

 

1.2 試驗(yàn)方法

 

 

      在熱管蒸發(fā)段和冷凝段中部位置橫向剖開，利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)觀察多孔芯的微觀孔結(jié)構(gòu)。采用如圖4所示自組裝的傳熱性能測試裝置對熱管進(jìn)行傳熱性能測試，該裝置主要由直流穩(wěn)壓電源、加熱銅塊、冷卻銅塊、冷卻風(fēng)扇以及溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加熱銅塊上表面開設(shè)半圓形凹槽，內(nèi)置3根加熱棒與電源相連；冷卻風(fēng)扇固定在冷卻銅塊的下方，冷卻銅塊上表面同樣開設(shè)半圓形凹槽；利用一臺數(shù)據(jù)采集器、電腦和13根K型熱電偶來進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，其中t1和t13分別為加熱銅塊和冷卻銅塊的溫度，t2~t6為熱管蒸發(fā)段壁面溫度，t7為絕熱段溫度，t8~t12為熱管冷凝段壁面溫度。

 

      將熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分別嵌在加熱銅塊和冷卻銅塊的凹槽內(nèi)，分別傾斜3個角度(0°，30°和90°)進(jìn)行抗重力傳熱性能測試。在熱管與銅塊之間間隙處填入導(dǎo)熱硅脂以減小接觸熱阻。試驗(yàn)時(shí)，先開啟散熱風(fēng)扇并啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)過約60s后，啟動測試程序進(jìn)行加熱，初始加熱功率為5W，每隔5min加熱功率增加5W。當(dāng)熱管加熱段溫度t1明顯高于t2或者t2明顯高于t3后，停止試驗(yàn)。

 

      根據(jù)測試得到的溫度計(jì)算熱阻，計(jì)算公式為

 

 

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論 ?

 

2.1 多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的微觀結(jié)構(gòu)

 

 

     由圖5可以看出，多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管蒸發(fā)段的孔芯為雙層結(jié)構(gòu)：第一層為管壁側(cè)燒結(jié)納米多孔銅粉形成的小孔隙層，其孔結(jié)構(gòu)包含納米多孔銅粉顆粒內(nèi)部和表面的納米孔，還包含顆粒之間燒結(jié)形成的孔隙；第二層為工質(zhì)腔側(cè)由不規(guī)則銅粉顆粒燒結(jié)形成的大孔隙層。絕熱段和冷凝段多孔芯結(jié)構(gòu)相同，均為由不規(guī)則銅粉燒結(jié)形成的大孔隙層。

 

2.2 多孔芯孔結(jié)構(gòu)對熱管傳熱性能的影響

 

     在傳熱性能的測試過程中，當(dāng)熱管蒸發(fā)段加熱功率低于其傳熱極限功率時(shí)，蒸發(fā)段不同位置的溫度會很均勻；而當(dāng)加熱功率超過傳熱極限功率時(shí)，熱管蒸發(fā)段多孔芯內(nèi)的工質(zhì)就會發(fā)生干涸，此時(shí)施加的一部分熱量并不是通過相變快速傳遞至冷凝段，而是直接使加熱銅塊、管殼和多孔芯過熱，從而出現(xiàn)溫度t2高于t3，接著t3高于t4的現(xiàn)象，此時(shí)溫度t1與t6的差值也會立刻增大，熱阻急劇增加。因此，根據(jù)熱阻的變化可以判斷熱管的傳熱極限功率。

 

 

      由圖6可以看出：在水平條件下(傾斜角度0°)，隨著加熱功率的增加，單層均勻多孔芯(單層芯A和單層芯B)熱管和多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管的熱阻均逐漸減小，這可能是因?yàn)榧訜峁β实脑黾邮沟谜舭l(fā)段多孔芯內(nèi)的工質(zhì)因蒸發(fā)而減少，并且逐漸向管壁方向移動，徑向傳熱路徑變短，導(dǎo)致熱阻降低。當(dāng)加熱功率超過100W時(shí)，3種熱管的熱阻依舊呈下降趨勢，因此水平條件下不同熱管的傳熱極限功率均超過100W。

 

     在抗重力條件下(傾斜角度30°)，由不規(guī)則銅粉和納米多孔銅粉燒結(jié)而成的單層芯B熱管和單層芯A熱管的熱阻分別在加熱功率為50W和85W時(shí)由下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樵龃螅f明二者的傳熱極限功率分別為50，85W；傳熱極限功率相比于水平條件發(fā)生不同程度的降低，這是因?yàn)闊峁芟蚍粗亓Ψ较騼A斜時(shí)，蒸發(fā)段的工質(zhì)向冷凝段運(yùn)動需要克服額外重力，因此熱阻增大。在抗重力條件下，多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管的傳熱極限功率仍然超過100W。這是因?yàn)槎喑叨葟?fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管蒸發(fā)段的小孔隙層可以產(chǎn)生很高的毛細(xì)力，絕熱段和冷凝段的大孔隙則能提供較大的工質(zhì)流動通道，促進(jìn)工質(zhì)從冷凝段回流至蒸發(fā)段，從而提升傳熱極限功率。

 

     在完全反重力的條件下(傾斜角度90°)，由于蒸發(fā)段工質(zhì)向冷凝段運(yùn)動時(shí)受到更高重力的作用，兩種單層均勻多孔芯熱管的傳熱極限功率顯著下降，單層芯A 熱管和單層芯B熱管分別降至23W和27W；多尺度復(fù)合多孔芯熱管的傳熱極限功率仍高達(dá)90W。

 

     多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管的高傳熱能力歸功于多孔芯的結(jié)構(gòu)與其功能之間的適應(yīng)性。從熱管的軸向角度看，蒸發(fā)段的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯含有小孔隙層，保證了較高的毛細(xì)力來驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)；絕熱段和冷凝段具有較大的孔隙，為工質(zhì)流動提供了更大的通道，工質(zhì)流動阻力減小，滲透率提高，從而增強(qiáng)了液體補(bǔ)償能力，使得熱管具有更強(qiáng)的耐干涸性。從熱管的徑向角度來看，蒸發(fā)段多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯的徑向?yàn)榫哂胁煌讖降膬蓪涌捉Y(jié)構(gòu)，且孔徑減小的方向與熱管受熱運(yùn)行時(shí)多孔芯內(nèi)工質(zhì)的下降方向一致。隨著熱負(fù)荷的增加，更多工質(zhì)下降進(jìn)入孔隙更小的納米多孔銅粉小孔隙層，從而獲得更大的毛細(xì)力。綜上所述，多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管的蒸發(fā)段提供了較大的毛細(xì)力，促進(jìn)熱管傾斜時(shí)蒸發(fā)段的工質(zhì)向冷凝段的運(yùn)輸，同時(shí)絕熱段和冷凝段提供了低阻力的流動通道，保證了冷凝段內(nèi)的工質(zhì)回流至蒸發(fā)段。

 

3 結(jié) 論 ?

 

     (1) 根據(jù)多孔芯熱管不同部位的功能差異，設(shè)計(jì)并制備了一種多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管。該多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管蒸發(fā)段的多孔芯為兩層孔隙結(jié)構(gòu)，管壁側(cè)為由納米多孔銅粉燒結(jié)而成的小孔隙層，可以提供較高的毛細(xì)力，工質(zhì)腔側(cè)為由不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的大孔隙層；絕熱段和冷凝段多孔芯均為由不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的單層大孔隙層，可以提供較大的工質(zhì)流動通道，減小工質(zhì)的流動阻力，提高滲透性。

 

     (2) 多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管在水平條件下的傳熱極限功率超過100W；與單層均勻多孔芯熱管相比，多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管表現(xiàn)出了更高的抗重力傳熱能力，在完全抗重力條件下(傾斜角度為90°)的傳熱極限功率高達(dá)90W，比由納米多孔銅粉和不規(guī)則銅粉燒結(jié)而成的單層均勻多孔芯熱管分別提升了2.9倍和2.3倍。

 

引用本文：

 

蔣雪微，連利仙，唐海，等.多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)多孔芯熱管的制備及其傳熱特性[J].機(jī)械工程材料，2022，46（7）：32-37.