孫芹，屈健，袁建平

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等截面和變截面通道硅基微型脈動(dòng)熱管傳熱特性比較

孫芹1，屈健2，袁建平1

（1江蘇大學(xué)國(guó)家水泵中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

為了解截面結(jié)構(gòu)對(duì)微型脈動(dòng)熱管傳熱性能和內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)特征的影響，采用可視化和溫度測(cè)量的方法對(duì)比研究了等截面和變截面硅基微型脈動(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)運(yùn)動(dòng)和傳熱特性。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為R141b，充液率為40%～60%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變截面通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅有利于降低微型脈動(dòng)熱管的熱阻，提高其傳熱能力，同時(shí)可有效改善其啟動(dòng)性能。隨著充液率的增大，該優(yōu)勢(shì)更加明顯，當(dāng)充液率約60%時(shí)變截面微型脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)功率和啟動(dòng)蒸發(fā)段平均溫度比等截面熱管分別下降約0.4 W和17.3℃。另外，因變截面結(jié)構(gòu)而形成的附加毛細(xì)作用可使微型脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)發(fā)生短暫定向運(yùn)動(dòng)，而在等截面熱管中則未觀察到上述現(xiàn)象。

微型振蕩熱管；變截面；傳熱特性；流型；核態(tài)沸騰

引 言

近年來(lái)隨著通信信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，集成化和微小型化引起的器件溫控問(wèn)題正成為制約行業(yè)發(fā)展的重要瓶頸[1-3]。尤其在應(yīng)用最廣泛的微電子領(lǐng)域，芯片發(fā)熱強(qiáng)度不斷攀升，產(chǎn)生的熱量若無(wú)法及時(shí)有效排除，因溫升而引起的“熱障”問(wèn)題將嚴(yán)重影響芯片工作性能乃至整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性。而具有適應(yīng)“芯片級(jí)冷卻”需要的MEMS微型熱管技術(shù)則被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的重要途徑之一，其在光電器件、微型燃料電池、紅外探測(cè)頭和激光二極管冷卻等方面同樣具有很好的應(yīng)用前景[4]。

脈動(dòng)熱管因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉且可實(shí)現(xiàn)高效熱量傳輸而成為近年來(lái)熱管領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5-10]。而脈動(dòng)熱管無(wú)須吸液芯的特點(diǎn)也使其能夠在百微米量級(jí)的內(nèi)徑狀況下正常啟動(dòng)運(yùn)行[11]，為微型化發(fā)展創(chuàng)造了條件。脈動(dòng)熱管MEMS微型化的實(shí)現(xiàn)可使其能夠直接與半導(dǎo)體芯片集成，解決芯片散熱材料的兼容性問(wèn)題，并且可以最大限度降低芯片的“熱點(diǎn)”溫度、增強(qiáng)其整體均溫性，在微小器件高強(qiáng)度散熱冷卻和溫控方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。從2010年起，Qu等[12-14]率先對(duì)由MEMS工藝制作的硅基微型脈動(dòng)熱管開(kāi)展了流動(dòng)可視化和傳熱特性研究，熱管梯形通道截面的當(dāng)量直徑介于251～394 μm之間，上述微型脈動(dòng)熱管在分別以FC-72和R113為工質(zhì)的情況下可持續(xù)振蕩運(yùn)行，顯示出很好的傳熱性能。Youn等[15]對(duì)矩形截面通道（通道當(dāng)量直徑571 μm）硅基微型脈動(dòng)熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)以乙醇為工質(zhì)時(shí)該熱管的有效熱導(dǎo)率高達(dá)600 W·m-1·K-1。吳慧英等[16]對(duì)通道當(dāng)量直徑分別為407.2和305.4 μm的硅基梯形截面通道脈動(dòng)熱管進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀察到區(qū)別于常規(guī)振蕩熱管的非典型振蕩現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)非典型振蕩情況下熱管對(duì)充液率的適應(yīng)性比典型振蕩更佳。受Liu等[17]和Chien等[18]所報(bào)道的交替截面通道可有效強(qiáng)化脈動(dòng)熱管傳熱的影響，Yang等[19]設(shè)計(jì)制作了具有類(lèi)似交替截面通道結(jié)構(gòu)的硅基微型脈動(dòng)熱管，發(fā)現(xiàn)以HFE-7100為工質(zhì)時(shí)交替截面通道微型脈動(dòng)熱管在水平放置情況下可正常啟動(dòng)運(yùn)行，但等截面通道微型脈動(dòng)熱管則無(wú)法啟動(dòng)。最近，Kwon等[20]同樣比較研究了等截面和交替截面通道微型脈動(dòng)熱管的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)在交替截面通道情況下微型脈動(dòng)熱管的傳熱性能較等截面通道有明顯提高，前者甚至能夠?qū)崿F(xiàn)反重力運(yùn)行。由此可知，與常規(guī)熱管類(lèi)似，交替截面通道結(jié)構(gòu)能夠有效提升微型脈動(dòng)熱管的傳熱能力。

除了上述交替截面通道外，漸變截面通道（即通道寬度沿長(zhǎng)度方向呈線性增大或減?。┩瑯泳哂刑岣呙}動(dòng)熱管傳熱能力的效果。Holley等[21]對(duì)漸變截面脈動(dòng)熱管的模擬研究發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)可有效促進(jìn)熱管內(nèi)工質(zhì)形成定向循環(huán)運(yùn)行，改善其傳熱性能。但與交替截面通道相比，具有該結(jié)構(gòu)的常規(guī)脈動(dòng)熱管在加工制作方面比較困難，而MEMS微加工技術(shù)在該方面則具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠方便構(gòu)建各種不同通道形式的微型脈動(dòng)熱管。本研究通過(guò)MEMS技術(shù)分別制作了具有等截面和漸變截面通道的硅基微型脈動(dòng)熱管，并對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)微型脈動(dòng)熱管的熱力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，比較了不同充液率下熱管的傳熱性能和流型變化特征。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 硅基微型脈動(dòng)熱管的制作

硅基微型脈動(dòng)熱管通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝制作而成，材料包括硅片和Pyrex7740玻璃，具體制作過(guò)程與文獻(xiàn)[12, 22]中的報(bào)道類(lèi)似。首先，在硅片上通過(guò)干刻工藝（即等離子體刻蝕）制作得到矩形截面微槽道；然后，通過(guò)硅/玻璃靜電鍵合方式將Pyrex7740玻璃與刻蝕有微槽道的硅片鍵合為一體，由此即可形成由玻璃密封的硅基微型脈動(dòng)熱管。在硅/玻璃鍵合前，還需通過(guò)激光在玻璃上加工制作用于抽真空/充注工質(zhì)的小孔。由該方法制作得到的脈動(dòng)熱管可承受足夠高的內(nèi)部壓力，且能夠同時(shí)滿足可視化觀測(cè)的需要。

圖1給出了本研究所用的兩個(gè)硅基微型脈動(dòng)熱管的示意圖及通道結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。兩個(gè)微型脈動(dòng)熱管的蒸發(fā)段部位均含有15個(gè)彎頭，熱管的整體尺寸為28 mm×23 mm，其中#1硅基微型脈動(dòng)熱管具有等截面通道結(jié)構(gòu)，而#2硅基微型脈動(dòng)熱管則具有變截面通道結(jié)構(gòu)，其相鄰?fù)ǖ缹挾妊赝ǖ篱L(zhǎng)度方向交替線性增大或減小（即某一通道寬度沿長(zhǎng)度方向線性增大，其相鄰?fù)ǖ缹挾葎t沿該方向線性減?。?。通過(guò)計(jì)算可知，#1微型脈動(dòng)熱管的通道當(dāng)量直徑為332.4 μm，#2微型脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段緊靠彎頭處相鄰大、小兩通道的當(dāng)量直徑分別為364.4和287.0 μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖2(a)所示，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由5個(gè)部分構(gòu)成，分別為測(cè)試段、可視化裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、加熱和冷卻裝置。實(shí)驗(yàn)中，微型脈動(dòng)熱管固定在可調(diào)節(jié)傾角的旋轉(zhuǎn)基座上[圖2(b)]。熱管蒸發(fā)段底部布置有鎳鉻合金蛇形加熱薄膜，通過(guò)直流電源進(jìn)行加熱，加熱量可由數(shù)字萬(wàn)用表記錄的電壓和電流乘積得到。為減少熱管的散熱損失，對(duì)熱管及加熱薄膜進(jìn)行了適當(dāng)?shù)谋靥幚怼峁芾淠尾捎盟淅鋮s，水冷槽利用3D打印技術(shù)一次成型，與熱管冷凝段充分貼合，可有效保證冷卻效果。冷卻水的入口溫度由恒溫槽控制，流量大小可控，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定入口水溫為25℃。實(shí)驗(yàn)所用兩個(gè)微型脈動(dòng)熱管的蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段長(zhǎng)度一致，分別為5.5、13.0和9.5 mm。

為測(cè)試熱管的整體傳熱性能，在熱管硅基底部共布置有8個(gè)Ω公司產(chǎn)的T型熱電偶（直徑0.1 mm，精度0.1℃），熱電偶在熱管底面的具體分布如圖3所示（其中測(cè)量熱管蒸發(fā)段的熱電偶分別為1e、2e、3e和4e，絕熱段的熱電偶分別為1a和2a，而冷凝段的熱電偶則分別為1c和2c）。熱電偶所測(cè)溫度由數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34972）輸入計(jì)算機(jī)。為保證熱電偶測(cè)溫信號(hào)不受干擾，硅基和加熱薄膜之間含有一層電絕緣薄膜。為詳細(xì)觀察微型脈動(dòng)熱管通道內(nèi)工質(zhì)相變和相界面運(yùn)動(dòng)行為，在垂直熱管通道陣列方向布置有附帶微距鏡頭的高速CCD像機(jī)（Olympus，i-speed 2），可將工質(zhì)汽/液兩相運(yùn)動(dòng)圖像與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

本實(shí)驗(yàn)所用工質(zhì)為R141b，體積充液率（FR）范圍介于40%～60%之間。因硅基微型脈動(dòng)熱管內(nèi)部通道的總體積較小，熱管的充注和封裝十分關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)充注和封裝過(guò)程如下：充液前先對(duì)熱管進(jìn)行抽真空處理，利用真空泵將通道內(nèi)的壓力穩(wěn)定降至0.1 Pa以下；然后，通過(guò)微型注射器將工質(zhì)注入熱管至滿充；為獲得所需充液率，需利用另一臺(tái)便攜式真空泵將熱管內(nèi)部分工質(zhì)抽出，隨后通過(guò)微型止水夾將其密封，最后進(jìn)行膠封。通過(guò)測(cè)量密封后熱管內(nèi)液塞的總長(zhǎng)即可獲得相應(yīng)的充液率。上述充注和封裝方法方便有效，且充液率準(zhǔn)確度較高。另外，本實(shí)驗(yàn)誤差分析與文獻(xiàn)[22]中的處理方法類(lèi)似，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)熱阻的最大不確定度小于6.5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同充液率下微型脈動(dòng)熱管的傳熱性能

圖4給出了不同充液率下豎直放置（底部加熱）時(shí)#1和#2微型脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段（1e，3e）和冷凝段（1c）在不同加熱功率下的溫度變化情況。從圖中可以看出，截面形狀對(duì)微型脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)及工質(zhì)振蕩運(yùn)動(dòng)均有不同程度的影響。表1匯總了對(duì)應(yīng)于圖4中不同充液率下兩個(gè)微型脈動(dòng)熱管的最小啟動(dòng)功率、啟動(dòng)蒸發(fā)段平均溫度和熱管內(nèi)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)連續(xù)振蕩的最小功率。綜合圖4和表1可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于#1和#2微型熱管而言，利于其啟動(dòng)的最佳充液率均為42%左右，且其啟動(dòng)性能均隨著充液率的提高而下降（即啟動(dòng)功率和啟動(dòng)蒸發(fā)段溫度均升高）。但隨著充液率的增大，#2微型熱管的啟動(dòng)性能明顯優(yōu)于#1微型熱管，尤其在充液率約為60%時(shí)，#2熱管的啟動(dòng)功率和啟動(dòng)蒸發(fā)段平均溫度分別下降了0.4 W和17.3℃。另外，隨著加熱功率的提高，進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)后#2微型熱管較#1微型熱管能夠更為迅速地實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定振蕩，因此表1中不同充液率下#2微型熱管實(shí)現(xiàn)連續(xù)振蕩的加熱功率明顯更小。對(duì)于#1微型熱管，從圖4可以看出其啟動(dòng)后容易形成大幅間歇振蕩，只有當(dāng)加熱功率較大時(shí)才能進(jìn)入穩(wěn)定連續(xù)振蕩階段，而#2微型熱管則能夠更快地完成由啟動(dòng)至穩(wěn)定振蕩的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，溫度振蕩頻率更高，而振幅則更小。通過(guò)上述比較可以發(fā)現(xiàn)，微型脈動(dòng)熱管實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)后漸變截面結(jié)構(gòu)的槽道設(shè)計(jì)更利于其迅速進(jìn)入穩(wěn)定持續(xù)振蕩狀態(tài)，且具有更好地均溫性，從而有效提升其傳熱性能。

表1 兩種硅基微型脈動(dòng)熱管的最小啟動(dòng)功率、對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)段平均溫度及實(shí)現(xiàn)持續(xù)振蕩的最小功率

圖4 豎直放置時(shí)#1和#2微型脈動(dòng)熱管冷、熱段壁面溫度隨加熱功率的變化情況

圖5給出了豎直情況下兩個(gè)微型脈動(dòng)熱管在不同充液率時(shí)熱阻隨加熱功率的變化情況。從中可以看出，在相近充液率和加熱功率下#2熱管比#1熱管具有更小的熱阻。當(dāng)加熱功率約為6.0 W時(shí)，與#1微型熱管相比，#2微型熱管的熱阻在充液率約為42%、50%和60%時(shí)分別下降了0.6、1.7和2.0 K·W-1。因此，漸變截面結(jié)構(gòu)的槽道設(shè)計(jì)有利于提高微型脈動(dòng)熱管的傳熱性能，其優(yōu)勢(shì)隨著充液率的增加表現(xiàn)得更為明顯。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有漸變截面通道結(jié)構(gòu)的微型脈動(dòng)熱管明顯有利于促進(jìn)熱管的啟動(dòng)和提高總體傳熱性能，且隨著充液率的增大其優(yōu)勢(shì)更加明顯。形成上述結(jié)果的主要原因在于漸變截面通道設(shè)計(jì)有利于促使微型脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)形成定向循環(huán)運(yùn)動(dòng)（圖6）。根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]的報(bào)道發(fā)現(xiàn)，漸變結(jié)構(gòu)具有類(lèi)似毛細(xì)泵的效果，附加的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力能夠有效幫助氣泡自窄通道部位向?qū)捦ǖ啦课蛔园l(fā)運(yùn)動(dòng)，并促使相鄰液塞一起發(fā)生移動(dòng)。上述作用將促使工質(zhì)在微型脈動(dòng)熱管內(nèi)形成整體的定向循環(huán)趨勢(shì)，從而增強(qiáng)熱管的傳熱能力。

2.2 微型脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行的流型特征

當(dāng)微型脈動(dòng)熱管順利啟動(dòng)并經(jīng)歷間歇振蕩后，可過(guò)渡至穩(wěn)定振蕩運(yùn)行階段。圖7給出了#1和#2微型熱管在相近工況下穩(wěn)定振蕩時(shí)通道內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀況（加熱功率和充液率分別約為4.6 W和50%）。由圖可以看出，#1和#2微型脈動(dòng)熱管內(nèi)均存在泡狀流、塞狀流和環(huán)狀/半環(huán)狀流，但從中均未觀察到明顯的噴射流，這可能與本實(shí)驗(yàn)所選工質(zhì)有關(guān)。相比較#1微型熱管，#2微型熱管的變截面通道可使其蒸發(fā)段處更易發(fā)生核化現(xiàn)象，增大了泡狀流出現(xiàn)的范圍。隨著加熱功率的增大，#1微型脈動(dòng)熱管內(nèi)的汽/液塞振蕩運(yùn)動(dòng)基本維持在單個(gè)通道內(nèi)，難以觀察到汽塞膨脹至相鄰?fù)ǖ篮兔黠@的工質(zhì)定向循環(huán)運(yùn)動(dòng)[圖7(a)]。而在#2微型脈動(dòng)熱管內(nèi)，通道內(nèi)汽塞通過(guò)迅速膨脹可跨越冷凝段彎頭至相鄰?fù)ǖ繹圖7(b)中c、e]，且能夠觀察到短暫定向運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn)。隨著加熱功率的增大，上述現(xiàn)象在#2微型脈動(dòng)熱管表現(xiàn)的更為明顯（圖8），但工質(zhì)的定向循環(huán)運(yùn)動(dòng)難以持續(xù)，主要原因可能是微型脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)所受阻力較大，對(duì)其發(fā)生具有顯著抑制作用?？傮w而言，#2微型脈動(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)振蕩運(yùn)動(dòng)更為混亂劇烈，這也是其傳熱性能較#1微型脈動(dòng)熱管高的重要原因。

可視化觀察同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，#1微型脈動(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出間歇性振蕩的特征，這與圖4中對(duì)應(yīng)的明顯溫度間歇振蕩是一致的，振蕩停滯時(shí)間隨著加熱功率的增加而減少，與常規(guī)脈動(dòng)熱管中相似[25]。圖7(a)中a～f表示通道內(nèi)工質(zhì)的連續(xù)振蕩，液塞主要集中在冷凝段，蒸發(fā)段雖未發(fā)生“燒干”現(xiàn)象，但從中可以看出該部位液塞較少，汽/液塞在冷、熱段間大幅振蕩運(yùn)動(dòng)，蒸發(fā)段的液相主要以液膜形式存在，伴隨著潤(rùn)濕/再潤(rùn)濕行為，此過(guò)程大約持續(xù)0.6 s。之后，通道內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)短暫近似停滯狀態(tài)[圖7(a)中f～h]，汽、液塞僅發(fā)生局部小幅振蕩，傳熱能力也相應(yīng)下降，此狀態(tài)持續(xù)大約0.5 s。至+1.10 s開(kāi)始，通道內(nèi)汽、液塞分布又恢復(fù)至與時(shí)刻相似的情形，轉(zhuǎn)入持續(xù)大幅振蕩過(guò)程。

而#2微型脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)則無(wú)明顯停滯現(xiàn)象，隨著加熱功率的增大，微通道內(nèi)的流型主要為環(huán)狀/半環(huán)狀流，且在熱管局部出現(xiàn)的短暫定向循環(huán)振蕩持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)（圖8 a～f、i、j），因此#2微型熱管的傳熱性能隨著加熱功率的增大不斷提高，熱阻值可繼續(xù)減?。▓D5）。同時(shí)#2熱管蒸發(fā)段彎頭處的核化現(xiàn)象明顯增多，產(chǎn)生的小氣泡長(zhǎng)大聚合后形成泡狀流，具體如圖9所示。首先，熱管通道的變截面設(shè)計(jì)使液塞運(yùn)動(dòng)至蒸發(fā)段彎頭處時(shí)更易形成空化，為核態(tài)沸騰提供核化點(diǎn)，由此促進(jìn)核化現(xiàn)象的發(fā)生（圖9 a～c）。之后，彎頭處核化產(chǎn)生的氣泡迅速長(zhǎng)大并向兩側(cè)膨脹，推動(dòng)通道Ⅰ和Ⅱ內(nèi)的液塞同時(shí)向冷凝段方向運(yùn)動(dòng)（圖9 d～h），形成環(huán)狀/半環(huán)狀流。然后，通道Ⅰ內(nèi)的長(zhǎng)汽塞受開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)（Kelvin-Helmholtz instability）的影響斷裂為若干短汽塞和氣泡，冷凝段出現(xiàn)環(huán)狀流向塞狀流和泡狀流的過(guò)渡（圖9 i～m）。另外，圖9 a～c中通道Ⅰ內(nèi)蒸發(fā)段被液塞完全充滿，表明變截面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有利于一側(cè)通道的液相向蒸發(fā)段方向運(yùn)動(dòng)，可延遲“燒干”的發(fā)生，有效增大該熱管的傳熱極限。

3 結(jié) 論

對(duì)豎直情況下等截面和變截面硅基微型脈動(dòng)熱管在不同充液率下的啟動(dòng)及熱力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論。

（1）漸變截面槽道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有利于提高微型脈動(dòng)熱管的傳熱性能，且隨著充液率的增加，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。與等截面結(jié)構(gòu)相比，在充液率約60%時(shí)漸變截面微型熱管的啟動(dòng)功率和啟動(dòng)蒸發(fā)段平均溫度可分別下降約0.4 W和17.3℃。

（2）與等截面微型熱管相比，變截面微型脈動(dòng)熱管由啟動(dòng)到穩(wěn)定振蕩轉(zhuǎn)換的時(shí)間更短，且隨著加熱功率的增大，其穩(wěn)定振蕩過(guò)程中無(wú)明顯間歇，提高了熱管均溫性。

（3）變截面微型脈動(dòng)熱管出現(xiàn)了工質(zhì)的短暫定向循環(huán)運(yùn)動(dòng)，且該過(guò)程隨著加熱功率的增大而延長(zhǎng)，這主要與變截面結(jié)構(gòu)可形成附加毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，而等截面微型脈動(dòng)熱管內(nèi)則未明顯觀察到該現(xiàn)象。

（4）穩(wěn)定振蕩運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)微型脈動(dòng)熱管內(nèi)主要流型均為泡狀流、塞狀流和環(huán)狀/半環(huán)狀流，而變截面通道可使熱管蒸發(fā)段處更易發(fā)生核化現(xiàn)象，增大了泡狀流出現(xiàn)的范圍。但在上述微型熱管中均未觀察到噴射流，這可能與所用實(shí)驗(yàn)工質(zhì)有關(guān)。

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Heat transfer performance comparison of silicon-based micro oscillating heat pipes with and without expanding channels

SUN Qin1, QU Jian2, YUAN Jianping1

(1National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;2School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

A simultaneous flow visualization and temperature measurement experiment has been carried out to investigate the heat transfer characteristics and flow behavior of two silicon-based micro oscillating heat pipes (Micro-OHPs) with straight and expanding channels. R141b was used as the working fluid with the volumetric filling ratios ranging from 40% to 60%. Experimental results show that the micro-OHP with expanding channels (#2 micro-OHP) has a better thermal performance, a lower start-up evaporator temperature (or start-up power input) than that of the micro-OHP with straight channels (#1 micro-OHP) at the vertical orientation. Compared to #1 micro-OHP, at the filling ratio of 60%, the reductions in the start-up power input and start-up evaporator temperature of #2 micro-OHP were about 0.4 W and 17.3℃, respectively. Intensified nucleate boiling and bubbly flow were observed in #2 micro-OHP as compared to #1 micro-OHP, and the transient circulation flow was only observed in the latter.

micro oscillating heat pipe; expanding channel; heat transfer characteristic; flow pattern; nucleate boiling

10.11949/j.issn.0438-1157.20161461

TK 124

A

0438—1157（2017）05—1803—08

屈健。

孫芹（1990—），女，博士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51206065）。

2016-10-17收到初稿，2017-01-22收到修改稿。

2016-10-17.

QU Jian, rjqu@mail.ujs.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51206065).