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一种可提升Qmax2倍的铜短纤维混合芯热管技术

发布时间:2021-01-28 08:48:23人气:
热管是具有优异热超导性能的封闭中空金属管体,通常由真空腔体、吸液芯结构(Wick Structure)和一定量的工作液体构成。当热量输入到热管蒸发端时,液体蒸发,形成压力梯度,该压力梯度推动蒸气沿着管道流向冷却端。蒸汽在冷却端冷凝,从而释放出蒸发潜热。然后,工作流体通过吸液芯结构中产生的毛细作用力或在重力作用下回流到蒸发端,不断循环作动,从而使热管腔体表面呈现快速均温的特性而达到传热的目的。
 
 
热管运行期间,工作液的蒸发及冷凝回流均在具有毛细力的吸液芯(wick)上完成,吸液芯的材料与形貌结构,影响液体的沸腾极限,决定冷凝液的回流压降,并限制了热管的最大热传输量
 
热管共有三种常用的吸液芯(wick)结构,按生产成本从高到低分别为烧结铜芯(Sintered Copper )、筛网芯(Screen / Mesh)和开槽芯(Grooved),每种吸液芯都有其独特的性能特征。吸液芯的特性很大程度上决定了热管的最大热传输量(Qmax),同一直径与长度的热管,吸液芯材料结构的差异,将带来Qmax的较大差别。
 
为了提升Qmax,生产商往往优化吸液芯结构。比如,ACT公司为了将典型的开槽CCHP的热通量极限提高到50 W / cm 2以上,开发了混合结构吸液芯,在蒸发端包含了筛网、金属泡沫或烧结芯,由于上述吸液芯高的流体渗透和低压降特性,使热管可以在很长的距离上维持大功率热传递。
 
一种可提升Qmax2倍的铜短纤维混合芯热管技术
2020年2月,古河电工内部时报上介绍了一种针对高性能数据中心服务器热管散热器开发的铜短纤维混合芯热管,文章题目为《データセンタ向け銅短繊維ヒートパイプの開発》,中文译名《数据中心用铜短纤维芯热管的研制》,文章作者为上 久 保 将 大。
 
文章作者通过在开槽热管蒸发端烧结铜短纤维(Copper Short fiber)覆盖层,并对热管内部工作液循环的压降进行定量分析,发现铜短纤维烧结芯能够抑制作动压降,其最大热输送量是在蒸发端具有同等长度铜粉烧结芯热管的2倍左右。
 
制备不同烧结芯的热管
 
为了验证铜短纤维芯抑制压降的效果,作者在400mm T8铜开槽管内部沿轴向分别烧结了长度为100、150、200、250 mm铜短纤维覆盖层;为了比较铜短纤维和铜粉烧结芯的效果,分别在热管轴向烧结了长度为60、100、150、200 mm的铜粉烧结芯。另外,为了确认同等长度铜粉烧结蒸发端结构的影响,还制造了铜粉和铜短纤维组合热管,铜粉在蒸发端的烧结长度为60mm,铜短纤维在绝热端的烧结长度为190mm。
 
 
热管测量系统
 
为验证铜短纤维烧结覆盖层对热管性能的影响,作者搭设了图5所示的热管测量系统,下文描述的测量结果都是在这同一测量系统下得到的结论。
 
 
铜短纤维烧结芯长度与压降的关系
 
实验发现,铜短纤维烧结长度为100mm至200mm的时候,随着长度的增加,热管的最大热输送量得到提高,作者认为这是因为铜短纤维烧结覆盖层减少了回流的压降。当覆盖的长度增加至250mm,则对冷凝端产生影响,最大热输送量不再提高。
 
 
 
毛细管力=(1)蒸发压降+(2)蒸汽压降+(3)冷凝压降+(4)液体压降+(5)回流压降
 
热阻测量结果
 
烧结铜短纤维的热管,在低输入时的热阻特别大,这可能与蒸发端铜短纤维覆盖层与开槽间产生间隙有关;对铜粉(烧结长度60mm)和铜短纤维(烧结长度190mm)的组合热管进行测量,发现其与仅烧结铜粉的热管相比(烧结长度60mm),热阻几乎没有变化。
 
热输送量测量结果
 
测量结果表明,铜短纤维烧结长度为250mm的热管,与仅铜粉烧结长度为60mm的热管相比,热输送量提高了2倍左右。其它热管的最大热输送量,与作者在评估毛细管力的计算公式中的设想值基本一致。
 
参考来源:
古河电工时报 第139号(2020年2月):《データセンタ向け銅短繊維ヒートパイプの開発》
 
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