论文导读：毛细泵吸环路是一种高效相变热传递装置。传统大型毛细泵吸环路（CPL）环路的研究与应用已相当成熟，但当尺寸缩小时会有许多新的问题产生。针对笔记本电脑中CPU在小空间内的发热量高的趋势，本文提出采用微型CPL取代传统热管，实现小空间内的高效传热，并进行了实验以及理论分析。
关键词：毛细泵吸环路，热管，传热
1 前言
CPL的概念最早在20世纪60年代中期提出[1]。20世纪80年代初期，前苏联开始发展环路热管（LHP）[2]。AAVID Engineering Inc.于1993年推出了一种流体冷却系统，称为Oasis Technology。发表论文。该冷却系统可应用于下一代微处理器的冷却技术上。它也证明了微小化CPL环路的可行[3]。20世纪末的一些改良设计使得CPL的性能进一步加强[4]。
本文设计三种小型CPL环路，分别为水平式—A型环路与B型环路，高管式—C型仿真环路。它们的主要区别是：水平式设计可用空间高度为1 cm，而高管式可用空间高度为5 cm以上。发表论文。微小化CPL只包含5个部分—蒸发器、冷凝器、隔离器、蒸汽道和液体道，和传统的CPL比较，少了储槽和次冷凝器。水平式环路使用时处于水平位置，忽略重力效应，而高管式则是为了考虑其加入不同驱动力的影响。图1显示出A型、B型与C型环路的外观简图及其温度测量位置。文中的实验数据由陈绍文老师提供。此文的发表征得他同意和支持。
A型环路是由一个平面一体成型铝制环路，蒸发器尺寸是30×30×8 mm，内部有金属鳍片间隔成的沟槽。B型环路也使用铝，蒸发器尺寸是30×40×10 mm。A型环路只有底部存在鳍片，而B型环路蒸发器内部和沟槽上下都有鳍片。C型仿真环路使用Pyrex有机玻璃，蒸发器尺寸是直径50 mm的园筒，其内部使用的毛细构造是高密度聚乙烯。在A型环路与B型环路内，热量被突起的金属鳍片传至与毛细构造接触的表面，从而使低沸点的工作介质变成气泡，蒸汽再由鳍片间的沟槽流出。C型环路底部则是平面，以沸石填料取代毛细构造提供工作流体沸腾的核化点。图2显示出A型与B型环路蒸发器的剖面图与毛细构造。
 2 实验装置
实验测试装置如图3所示。仿真箱内设置加热器仿真CPU发热，并设置一个冷道以仿真利用case fan对环路冷凝器的空气强制对流散热。冷道空气流量约为0.04cm3/m。C型仿真环路测试时需要使用恒温冷凝水槽。
3 实验结果与讨论
 图4至图6分别为A型、B型与C型环路运行的各点温度分布对输入热功率的关系。蒸发器温度小于100℃，A型环路可以稳定传热达22W，B型环路可以稳定传热达26W，C型环路可以稳定传热达40W。此时，三个环路的工作介质填充量皆为30%，各冷凝温度分别为 ℃、 ℃、 ℃。当冷凝温度为 ℃时，三环路的填充量分别为15%、30%、50%的热阻对瓦数的比较。结果显示：在填充量固定时，改变冷凝温度所得环路效能为50℃>40℃>30℃，如图7所示。固定冷凝温度时，改变填充量所得效能为30%>15%>50%，见图8。发表论文。提高冷凝温度，传热系数降低并没有温度提升的幅度大，环路热阻因而下降，所以在一定范围内提高冷凝温度将有助于降低环路热阻。填充量的最佳值约在20%到30%之间，过量的填充量直接会造成蒸发器内过热度提高，过少的填充量则容易发生烧干现象。
4 结论
（1）由实验测试结果可知，A型环路当稳定传热达22W时，热阻为2.73K/W；B型环路当稳定传热达26W时，热阻为2.62K/W；C型仿真环路当稳定传热达40W时，热阻为1.875K/W。此时，三个环路的工作介质填充量皆为30%。
（2）由不同工作介质填充量比较可知，环路效能 为30%>15%>50%；若由不同冷凝温度进行比较，环路效能 则为50℃>40℃>30℃。综合最佳化（最低热阻）发生在℃时，=20%~30%。
 （3）改善环路效能，可先由降低冷凝温度着手。冷凝器散热效率高，可提供的流体过冷度较高，从而可提供的工作流体从蒸发器往冷凝器流动的压力差（驱动力）越大。
（4）毛细构造在环路内除提供毛细力之外，更可提供工作流体沸腾时的成核位置（NucleationSites），有助于产生气泡及降低过热度，提高环路质量流率与效能。
参考文献
1 F J Stenger. NASA TM X-1310,1966
2 Maidanik Y F,Vershinin, Kholodov V, J Dolgirev. Heat Transfer Apparatus[J]. U S PatentNo.4515209,1985
3 AAVID EngineeringInc. AAVID Engineering Demons Fluid Cooling System for NotebookComputer[J].1993
4 Jeffery Kirshberg, Kirk Yerkes, Dave Trebotich, etal. Cooling Effect of a MEMS Based Micro Capillary Pumped Loop for Chip-LevelTemperature Control[J]. ASME MEMS-Vol.2, 2000
5陶文铨. 数值传热学[M]. 西安：西安交通大学出版社,2002.12
|
