高热流密度自然对流条件下改善热传导性能的实验研究

    1 前言

    半导体制冷具有体积小、无转动部件、结构简单、寿命长等优点,其缺点是制冷系数小。尤其在半导体冷热面温差较大的情况下,问题更加突出。以半导体冷藏柜为例,为了保证冷藏柜内、外产生足够大的温差(通常是20℃),就需要设法减小半导体制冷器件的热面与环境、冷面与冷室各传热环节的温差[1]。日本三洋公司研制的28L半导体冷藏柜在器件冷热面均采用了铝翅片加风扇的方式。文献[2]报导的冷藏柜、冷热面均采用了带简单液池的热管散热器,如图1所示,既获得了较好的传热性能,同时又达到了静音的要求。图1所示的热管散热器,因池内工质充注量较大等缺点的存在,致使工质的蒸发量较小。基于这种思路,重新研制了如图2和图3所示的液池散热器,以便有较好的传热性能。为叙述方便,本文分别称之为孔板式散热器和双循环式散热器。

    2 实验装置及实验方法

    其实验装置如图4所示。恒温水浴及加热板用于模拟半导体制冷器件工作时的热面特性;散热器液池通过木螺栓与加热板紧密贴合;温度测试记录仪用以记录散热器的表面温度。通过调节阀、流量计以及设定水浴温度,即可控制加热面的温度,并且求得通过加热板传递的热量。实验所用3个试件的液池与加热板接触面积均为50mm×50mm。实验过程中环境温度为25±0.2℃,加热板温度为55±0.2℃,热流密度在3.5×10⁴~4×10⁴W/m²的范围内。

    3 实验结果及分析

    先将3个试件在热管灌装机上进行抽空、灌装封口,并采用同一种工质,再进行等精度测量。此3个试件的表面温度随时间变化规律见图5。

    从图5可以发现,简单液池式热管散热器升温慢,约13min后趋于稳定,终温为39℃;孔板式热管散热器升温快,约6min后趋于稳定,终温为37℃;双循环式热管散热器升温最快(约4min),且终温最高为43℃。

    笔者认为,试件1的起动过程具有大容器过冷沸腾的特性[3]。因此,在较小的过裕温度(壁温与工质的温差)时,即可使工质与壁面以自然对流换热的方式加热工质。温度较高的工质在顶部的汽液面上进行蒸发,并为丝管散热器提供蒸汽。实验中发现,丝管散热器表面温度与液池壁温之差约为3.5℃。试件2起动较快,但在稳定时温度最低,原因是壁面与工质存在较大的温差(约为5℃)。而这一过裕温度又不足以起动热管使之发生泡态沸腾,因此仍属饱和沸腾中的自然对流沸腾(笔者曾对此直径的热管进行测定,发现热管正常工作时壁温与工质温差为8℃)。此情况下由孔板液池的结构决定其气液蒸发面很小(仅为孔的截面积),故产生蒸汽量不足,致使丝管温度偏低。