热管测试系统的研制和槽道式圆微热管性能测试.docx
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热管测试系统的研制和槽道式圆微热管性能测试
本科毕业设计（论文）说明书
热管测试系统研制和沟槽式圆微热管传热性能测试
院（系）机械学院
专业机械工程及自动化
学生姓名蒋乐伦
指导教师汤勇
提交日期2006年6月22日
华南理工大学
毕业设计（论文）任务书
兹发给机械02
（1）班学生蒋乐伦毕业设计（论文）任务书，内容如下：
1、毕业设计（论文）题目：
热管测试系统研制和沟槽式圆微热管传热性能测试
应完成的项目：
（1）热管的设计和制造。
（2）热管测试装置的研制。
（3）对热管的传热性能的测试及试验数据处理和结果分析。
（4）开题报告
（5）英文翻阅
3参考资料以及说明：
[1]李亭寒，华诚生.热管设计与应用.北京:
化学工业出版社，1987.
[2]SavageCJ.Heatpipesandvapourchambersforsatellitethermalbalance.RAETech.Report69125,1969
[3]KatzoffS.Heatpipesandvapourchambersforthermalcontrolofspacecraft.AIAA,1976
[4]P.D.邓恩，D.A.雷伊.热管.周海云.北京:
国防工业出版社，1982
[5]庄俊，张红，2010年热管技术展望。
化工机械。
1998，25
（1）
[6]洪宇平，南京理工大学硕士论文《小型热板传热机理研究》，2000
[7]李亭寒，华成生等编著，热管设计与应用，化学工业出版社，1987
[8][英]P.D.邓恩，D.A.雷伊著，周海云译，热管，国防工业出版社，1976
[9]刘翼宇，小热管传热性能研究，南京化工大学，1999
4、本毕业设计（论文）任务书于06年3月10日发出，应于06年5月20日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。
专业教研组（系）、研究所负责人审核年月日
指导教师签发年月日
毕业设计（论文）评语：
毕业设计（论文）总评成绩：
毕业设计（论文）答辩负责人签字：
年月日
摘要
微热管的研究是国家重点立项的科技项目。
但由于微热管技术是近几年才刚刚兴起的散热技术，许多研究还不深入，因此展开对微热管的研究是具有很好的研究前景和研究意义的。
本文从微热管的研究的现状开始阐述，详细地介绍了槽道式微热管的设计和制造工艺流程。
为更好研究槽道式微热管的传热性能，特研制一套微热管的测试系统装置，本文对此系统进行了详细地论述。
最后，作者对研制地微热管进行了关于启动性能、等温性能及不同倾斜度下传热功率等传热性能地测试。
试验结果表明：
启动性能的好坏主要取决于微热管制造中达到的管内真空度；在正倾角重力辅助的条件下，微热管传热性能于水平测试时没有明显差别；而在负倾角反重微热管的传热能力有明显变化；槽道式微热管等温性能较好，蒸发段和冷凝段的温度差别很小。
关键词：
槽道式；微热管；热管测试系统；传热性能
Abtrast
Theresearchofthemicroheatpipeisakeyscientificprojectapprovedbythenation.However,asthemicroheatpipetechnologyhasbeenoneofthenewlystartedcoolingtechnologiesinrecentyears,manyresearchesareverysuperficialandtherefore,theresearchtothemicroheatpipehasverygreatresearchingperspectiveandmeaning.Thepaperhasstartedfromthedescriptionoftheresearchsituationofthemicroheatpipeandthenintroducedindetailthedesignandmanufacturingprocessofgroovemicroheatpipe.Inordertomakebetterresearchtotheheat-transfercapabilityofgroovemicroheatpipe,asuitoftestingsystemequipmentformicroheatpipehasbeenspeciallydesignedforitspurposeandthepaperhasdiscussedatlengthaboutthesystem.Finally,theauthorhasmadetheheat-transfercapabilitytestingtothedesignedmicroheatpipeintheaspectsofstartupperformance,temperatureuniformityandthepowerofheattransferindifferenttiltangles,andtheresultindicatesthatthestartupperformancemainlydependsonthedegreeofvacuumintheprocessofmicroheatpipemanufacturing;groovemicroheatpipehasbetterperformanceintemperatureuniformity,withlittledifferenceinthetemperatureofevaporationregionandcondensationregion;intheconditionofthepositivetiltanglewithgravityaided,theheat-transfercapabilityofmicroheatpipehasnodistinctdifferencecomparingwithitsleveltesting;whileundertheconditionofthenegativetiltangleanti-gravity,theheat-transfercapabilityofmicroheatpipehasmarkedchanges.
KeyWords:
groove,microheatpipe,heatpipetestingsystem,heat-transfercapability
主要符号表
蒸汽腔的横截面积
吸液芯的空隙率
水的定压比热
水的比热容
冷却水流量
热管的总长度
热管加热段长度
热管冷却段长度
Q热管传递热量
冷却段的热流量
加热段的热流量
冷凝段的热阻
蒸发段的热阻
热管绝热段管内壁温度
热管冷凝段管内壁温度
热管蒸发段管内壁温度
冷却水温差
热管内径
热管外径
重力加速度
冷却水的流量
工质的注入量
热管长度
热管运行所需的最大毛细压差
重力在热管传热方向的压差
使液体从冷凝段回流到蒸发段所需的降
使蒸汽由蒸汽段流回冷凝段所需的压降
冷却水的进水温度
冷却水的出水温度
水的密度
在热管工作温度下的液体密度
在热管工作温度下的蒸汽密度
热管与水平面夹角（冷凝段低于蒸发段
为正）
冷却段的冷凝换热系数
加热段的沸腾换热系数
目录
摘要I
AbtrastII
主要符号表III
第一章绪论1
1.1研究背景和意义1
1.2热管发展的历史3
1.3热管研究国内外现状4
1.4热管工作原理5
1.5热管的基本特性5
1.6本文研究的内容和方法6
第二章热管设计与制造8
2.1热管的设计8
2.2热管的制造10
2.3本章小结14
第三章试验装置研制15
3.1试验装置总介15
3.2加热系统17
3.3绝热系统17
3.4冷却系统18
3.5改变热管倾斜度试验装置19
3.6温度测控及数据显示存储系统20
3.7本章小结22
第四章槽道式圆微热管传热性能研究23
4.1实验目的和研究内容23
4.2实验步骤23
4.3槽道式小型热管启动性能的对比研究23
4.4槽道式小型热管等温性能的研究25
4.5槽道式小型热管不同倾角下传热性能的研究27
4.6槽道式小型热管蒸发段的热阻及换热系数的计算28
4.7本章小结29
结论31
参考文献32
附录33
致谢42
第一章绪论
热管是一种在小的温度梯度下就把热量从一处传往另一处的高效传热元件。
热管作为一种高效传热元件，它可以讲大量的热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力，其自从六十年代问世以来，在传热技术领域里的影响越来越大，在航天器的温度控制、电器和电子设备及器件的冷却、等温炉、标准黑体、太阳能利用以及工业余热回收等方面都有广泛的应用[1-8]。
但对热管的许多性能研究并没很成熟，还有很多问题停留在进一步探索的阶段。
因此，对热管测试系统的研制及对热管的性能的进一步的研究分析还是必须的，也有必要的。
1.1研究背景和意义
近年来，随着电子工业技术的迅猛发展，电子设备由于高速、高频化，导致发热量增加。
同时，由于使用了以集成电路和大规模集成电路的小型化部件，趋向于高密度装配。
因此，单位容积的发热量逐年增大。
一个最典型的例子就是电子计算机近年来的发展。
图1-1给出了电子计算机发展过程中将真空管由集成电路和大规模集成电路取代而产生的相对体积逐年小型高密度化的变化趋势[9]
图1-1电子计算机的随年的体积变化
为了使电子装置正常运行，需要使内装电子元件维持在一定温度范围内（约-5—65℃）运转。
这是因为电子元件的性能对温度敏感，温度过高或过低，元件性能将显著下降，不能稳定工作，从而也将影响到整个系统的可靠运行。
而随着电子电路集成化程度的不断提高以及各种大功率电子器件容量的不断增加，电子元件需散掉的热流密度已由2-3W/cm2增加到10w/cm2，甚至更高。
加上电子器件或装置体积尺寸越来越小，散热装置本身必须完成的散热要求也越来越高。
1980-1999年之间，电子器件的散热
热流密度就增加了12倍。
以微电子芯片为例，目前一般已达60-90w/cm2，最高己达200w/cm2。
同时，由于电子元件应用范围的扩展，在许多场合电子器件需要集中放置在一个密闭的壳体内以防止外界环境中的灰尘、腐蚀性气体、雨水等对电子器件的侵害。
这更增加了其散热的难度。
众所周知，电子元件的故障发生率是随工作温度的提高而呈指数关系增长的。
研究资料[10]也表明:
单个半导体元件的温度升高10℃，系统的可靠性降低50%。
因此，电子器件的散热就显得尤为重要。
如果散热设计不当，将带来各种不良影响，轻者由于电子装置的误动作使其性能下降，重则会因一个电子元件发生故障而导致整机毁坏。
可以说，电子设备的性能是由散热设计的好坏所决定的，这样说并非过份。
由于电子元器件的小型化和集成化，这种散热手段要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率、不需要维修等特点，从而为现代传热技术在电子冷却领域的应用提出了新的课题。
传统的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法只能用于热流密度不大于10wlcm,的电子器件。
因此必须研究和开发新的散热手段以适应有高热流密度散热要求的场合。
由于热管具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温特性环境的适应性等优良特点，可以满足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修等要求。
目前，热管技术已经广泛应用在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面。
因此，此课题对热管型电子器件散热器的研究有较大的经济意义和社会意义。
1.2热管发展的历史
热管是一种具有高导热性能的传热元件。
热管的概念首先由美国通用汽车公司的Gaugler1942年提出的[11]。
Gaugler的想法是：
液体在某一位置上吸热蒸发，而后在它下方的某一位置放热冷凝，不附加任何动力而使冷凝的液体再回到上方原位置上继续吸热蒸发，如此循环，达到热量从一个地点传送到另一个地方的目的。
插在小室中的热管吸收外界热量使热管内部的工作液体汽化，蒸汽在管内流向小室下方的碎冰盘，并在那里冷凝和放出热量。
冷凝后的工作液体借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛细抽吸力输送到上端，继续吸收热量汽化，如此循环达到制冷的目的。
直到1964年，美国的LosAlamos[12]科学试验室的Grover等人提出用一根不锈钢作壳体，钠为工质，管内装有丝网吸液芯的热管，并对试验结果进行了有限的理论分析。
1967年，将一支试验水热管送入地球卫星轨道，并取得了热管运行性能的遥测数据，证明了热管在无重力下运行成功。
1965年,Cotter首次较完整地阐述了热管理论。
建立热管的基本方程，提出计算热管工作毛细限的数学模型，奠定热管理论基础。
1968年，热管作为卫星仪器温度控制的手段第一次应用于测地卫星。
1969年，苏联和日本的有关杂志均发表了热管应用方面的研究文章。
同年的Turner和Sienert提出了利用可变热导热管来实现恒温控制。
Gray研制了一种新型热管一旋转热管，这种热管没有吸液芯，依靠转动中离心力的分力使液体从冷凝段回流到蒸发段。
1974年以后，用热管制成换热器来回收废热，并将它用于工业，以节约能源。
1980年美国Q-Dot公司生产了气一液换热的热管废热锅炉。
日本帝人丁程公司也成功地用热管作成锅炉给水预热器，并解决了露点腐蚀问题。
热管技术的研究是不断的深入和发展的，研究的基础已经奠定了，热管的工程方面的应用也越来越广泛的，其价值越来越受到重视。
1.3热管研究国内外现状
以下着重介绍近年来世界各发达国家及我国热管技术的研究及应用情况:
美国的热管主要应用于空间技术。
美国正在设计空间站、空间平台和大功率空间动力发电系统，该系统主要用热管辐射换热器将大量热量排放到空间中去。
其热管的地面应用领域也十分广泛，如余热回收利用、电子设备的冷却以及太阳能的利用等等。
七十年代世界性的能源紧张，促使热管技术大量应用于美国地面各工业部门。
当时，炼油厂加热炉的余热利用是首先受到关注的焦点，1979年美国福斯特一惠勒公司为炼油厂加热炉安装热管空气预热器，可回收热功率近1000干瓦，这在当时已属大型;而目前，可回收热功率达5000干瓦以上的大型热管空气预热器己非鲜见。
热管的应用温度范围也十分广，从几度的液氦到冷却燃烧室、空间核反应堆所需的千度。
日本的热管技术可谓后来居上，成绩卓著，据1994年不完全统计，日本热管年产值约合20亿元人民币以上，其中40%用于余热回收。
可以说，日本是热管应用技术开发的第二大国。
其热管产品已经系列化、规格化、商品化，发展速度十分惊人。
其研究及应用已涉及到各行各业，如大型热管换热器、分离型热管换热器、热管透平、200米长热管、热管电器冷却器、微型热管、热管电子半导体元件散热器、高温热管等。
德国及西欧的热管研究主要集中在宇宙飞行器元件热管散热器、核反应堆热管冷却器、热管电机、热管换热器、太阳能热管集热器、高温热管等。
根据近几年的热管国际会议，热管技术将朝以下几个方向发展:
（1）热管换热器的大型化（10000千瓦以上），分离型热管换热器将进一步发展，热管换热器在工业上的应用将普及。
（2）高温热管换热器（600-800T）、高温高压热管预热锅炉（600-900℃，10-16㎏/C㎡）、电加热蒸汽热管锅炉将试制和投入应用。
（3）有蓄热装置的低温余热回收热管换热器将得到应用。
（4）热管化学反应器、高温热管裂解装置的实用化等。
我国的热管技术研究和开发始于1970午，主要开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却剂空间飞行器方面的应用研究。
由于我国的能源利用率较低，自80年代初我国的热管研究及开发重点转向节能和能源的合理利用[13]，相继开发了热管气—气换热器，热管余热锅炉，高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉等各类热管产品[14]。
热管技术的工业化应用得到了迅速的发展，同时学术交流也十分活跃。
从1983年起我国先后在哈尔并，湖南大庸等地多次召开了全国性的热管会议，极大的促进了热管方面的研究和技术的交流。
随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断的拓宽。
新能源的开发，电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷领域的高效传热传质设备的开发，都将进一步发展。
1.4热管工作原理
热管是一种利用相变原理的高效热传导体。
热管管内壁充满了多孔渗透材料毛细结构，将管内抽真空后，充入工质后密封形成。
热管的工作原理如图1-2所示，热管分成三个部分：
蒸发段，绝热段和冷凝段。
当热管的蒸发段受热时，工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下通过绝热段流向冷凝端，蒸汽在冷凝端释放热量并冷凝成液体，工质液体再沿多孔渗透材料流回蒸发段。
这是一个循环的过程，工质循环的过程可以带走大量的热量，其效率远远高于一般的固体铜棒。
图1-2热管的工作原理
1.5热管的基本特性
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的一种高效的换热元件，具有极好的导热性、均温性、热流方向可逆性以及热流密度可变等特点。
（1）极好的导热性
热管利用了两个换热能力极强的相变传热过程（蒸发和凝结）和一个阻力极小的流动过程，因而具有极好的导热性能。
由于相变传热只需极小的温差，同时传递的为潜热，而一般潜热传递的热量比显热传递的热量大几个数量级，因此在极小的温差下热管可以传输极大的热量。
（2）良好的均温性
热管内的蒸汽处于汽液两相共存状态，饱和蒸汽从蒸发段流向凝结段所产生的压降甚微，所以沿蒸汽流动方向的温降也小，这就使热管具有良好的均温性。
以均温为目的的热管，其传输功率应尽可能地减小，以使压降和温降趋于零。
（3）热流方向可逆
热管的蒸发段和凝结段内部结构并无不同，因此当一根有芯热管水平放置或处于失重状态时，任何一段受热则该段成为加热段，另一段向外散摹就成为冷凝段。
若要改变热流方向，无须变更热管的位置。
热管的这种热流方向的可逆性为某些特殊场合的应用提供了方便。
（4）热流密度可变
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者反之以较大面积输入热量，较小面积输出，这样即可以改变热流密度，解决一些其它方法难以解决的传热难题。
（5）环境的适应性
热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热；热管即可以用于地面（重力场），也可用于空间（无重力场）。
1.6本文研究的内容和方法
综上所述，目前对微热管的理论研究还主要局限于宏观理论方面，和实际应用有一定的距离，而在试验研究方面得出的结论也是各不相同。
目前微热管在微电子设备的冷却中的应用前景很好，所以对微热管的传热性能进行进一步的研究很有必要，既有理论价值，又有实用价值。
本文将从以下几个方面展开论述：
（1）槽道式微热管的设计和制造。
热管的设计是从查找资料开始的，经过工质、吸液芯、热管的直径等等的选择才完成的。
而热管的制造是加工Ø6的铜管开始的，经过拉槽，一端封口，清洗，抽真空，灌注，封装，检验等一系列的步骤才完成的。
（2）槽道式微热管测试装置的研制。
热管测试装置分为软件和硬件两大部分的研制。
软件的开发是在前人的基础上用vb开发的，用于测控热管的传热温度情况。
而硬件的研制是对沟槽式的热管在实际工作的真实情况的假设模拟的模型。
（3）对槽道式微热管的传热性能的测试及试验分析。
通过对沟槽式热管的启动性能、等温性能研究，及计算热阻等对沟槽式热管的总体性能进行分析与判断。
本论文是通过试验与理论的结合对热管进行分析，揭示沟槽式热管的一些性能，期待对热管的深入研究有些助益，对热管实际工程应用有帮助。
第二章热管设计与制造
2.1热管的设计
热管设计应当考虑以下几点因素：
（1）热管管内的工作液体的选择，即工质；
（2）热管管内吸液芯结构的形式，即管芯或毛细结构；
（3）热管管壳的工作温度，即工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度；
（4）热管管壳材料，即管壳。
2.1.1工质选择
工质选择除了考虑材料的相容性之外，主要考虑:
工作温度范围，以及对极限工作能力的影响（毛细限、沸腾限、声速限、携带限及豁性限）:
传热性能;稳定性等[15]。
（1）工作温度范围
热管的工作温度范围一定要在凝固点和临界点之间，应避免接近凝固点及临
界点附近工作。
表2.1为工质工作的温度范围。
（2）传热能力
工质的性质对热管的传热能力影响甚大，热管的毛细限是随工质的品质因数Nl=σρlhfg/µl的增加而增加的。
在本设计中，热管工作的温度范围是0℃一100℃之间，根据表2-1所示，在此范围内可供选择的工质有氟利昂-11、丙酮和乙醇。
氟利昂-11对环境有污染;乙醇易燃，易挥发，不予考虑;水在热管设计中是最常见的工质，它的蒸发潜热较高，蒸发时传热量较大，但是蒸发温度较高。
丙酮沸点低，起动性能好，更合适做试验。
2.1.2管芯选择
多年来人们在热管吸热芯毛细结构和理论研究方面做了大量工作，在单一的吸液结构基础上发展了复合吸液芯，由单一的丝网、槽道及烧结芯到简单的干道、螺旋干道及板式干道等，如图2-2所示。
图2-2热管内表面吸热芯毛细结构
本人设计是槽道式结构的铜管，是通过外径为Ф6内径为Ф5的铜管犁削出来的。
其槽道个数是60个槽道深度0.4mm。
如图2-3所示：
图2-360个槽槽道式热管
其特点有以下几点：
（1）结构简单，加工简单，其成本低廉。
它是通过外径为Ф6内径为Ф5的铜管用拉刀拉出来的，因此其成本低廉。
（2）毛细力比较大，其槽道比较多，毛细力对其蒸发工质的冷凝回流具有很大的作用，促进热管传热的效率。
（3）增大微热管的空间，使更多的工质充满热管，促进传热的效率，以及节省热管外在的空间。
再者减轻热管的重量，对于笔记本电脑不会很大的加重其重量，满足笔记本电脑的轻的特性。
综上，槽道式热管尤其不可替代的优势。
2.1.3管壳选择
管壳材料选择铜管，铜的选择有其不可替代的优越性;
（1）铜的导热性能很好，在其导热的性价比上，铜很具有其优势。
（2）铜管具有很好的延展性能和加工性能，对于犁削加工的热管是很合适的。
（3）铜与选择的工质丙酮不会或者很少产生反应腐蚀，两者具有很
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