基于石墨烯涂层的热管散热器散热性能研究
董丽君
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董丽君,. 基于石墨烯涂层的热管散热器散热性能研究[J]. 国际科技论坛,2023.4. DOI:10.12721/ccn.2023.157227.
摘要:
开关装置是电源的最核心装置,其工作温度水平影响电源的质量。随着电源的高频、小型化和高功率,开关装置的冷却需求也在增加。当前,高压高频开关装置的热耗散主要是水冷方式,需要水箱,限制了电力供应的轻型化和小型化发展。作为当今导热系数较高的传热装置,随着价格的个性化,热管在空间和空气领域逐步应用于开关装置的散热领域。这是一种热交换器,它使用热储存介质的毛细循环来传递比银和铜等金属多数百倍的热量和速度。
关键词: 石墨烯涂层热管散热器散热性能
DOI:10.12721/ccn.2023.157227
基金资助:

引言

伴随着根深蒂固的安全生产理念,劳动者个人防护设备正在逐步升级。对于焊工来说,与熔融金属喷涂的长期接触容易引起皮肤过热和烧伤。这种现象可以用导热织物加以改进。热工织物是导热材料和织物的组合,一种功能性织物,具有很大的应用潜力,由于本身就是纺织材料,因此可以应用于服装上产生热工效果。传统导热材料大多为硅材料、金属材料、人造金刚石等,不符合柔韧、透气性等服装面料的基本要求,严重限制了其应用范围。因此,您可能希望改变策略,对织物本身进行功能上的修改,以提高其与保暖防护服的兼容性。可选择的方法包括热纤维的制备和纺丝、涂布改性织物等。前者通常需要复杂的过程、更长的过程和更大的不确定性,因此后者的使用范围要广得多。

1感应焊接热管散热器控制装置的运动过程分析

感应焊缝被锁定,如果每个热管焊接,应将散热器固定在所设计的运动控制装置上,并设计其运动路径,以便与感应焊缝协调进行焊接。运动控制装置完成热管焊接工作的运动过程如下:①将热管散热器直接放在感应焊环下,使焊环与第一个待焊接热管精确对准上下;②垂直向上输送热管散热器,使第一个热管在感应焊环的焊接场内运动;③装置停止运动,焊接工作开始,等待第一热管焊接工作完成;④焊接结束时,应将散热器垂直向下运输,然后水平移动,使第二个焊接热管直接位于感应焊环下;②继续垂直向上输送散热器,使第二根焊管位于感应焊环的焊接场;⑥焊接工作开始,此时装置停止,等待第二热管焊接工作完成。运动控制装置连续运动循环,直至散热器的所有热管焊接完毕。

2走行风冷热管散热器应用现状

热管散热器通常采用冷空气冷却方法,不需要增加风扇冷却,只在不同车辆的不同速度下工作,并以车辆通过空气运动产生的不同相对速度与自然风进行对流换热。这种冷却方式很大程度上取决于车辆的运转速度,根据应用经验,在这种状态下运行的冷冻机在车辆直线运行时通常不会有过热的危险,因为速度越高,相对风速越高,热变化的影响越大但是,一些车辆存放路段将要求地铁车辆每天以10-30公里/小时的速度驶离公路,长期保持低速行驶,导致通过散热器的风速极低,如果散热器设计量不足,存在较高的超载风险。

2散热原理

管道分为蒸发剖面、隔热剖面和冷凝剖面。当热量进入管道蒸发段时,吸入芯液被热量蒸发,蒸汽在轻微压力差的情况下向冷凝段移动,热量释放,冷凝液凝结成液体,冷凝液在蒸发段中缓慢作用返回吸收段利用液汽相变实现高效传热。热管复盖图形后有两个主要散热途径,一个是通过图形复盖传导热,另一个是交叉变换传导热,总传热记录为q,如式(1)所示

式中QC为石墨烯涂层传导的热量,QP为相变传导的热量。根据热传导理论,石墨烯涂层传导的热量如式(2)所示式中ΔT为冷端与热端温度差,a是热管横截面积,l是热管长度,λ是图形涂层导热系数。将较高的热传导系数(5300 w / ( MK)应用于涂层区域中的图形而不改变管道的结构参数后,公式(2)表明,图形可以提高管道的导热系数,使蒸发段的热量能够快速传递给导体。

3激光闪射法测热扩散系数和导热系数

在织物原样中,垂直导热系数较小,水平导热系数也较小,这对于热防护来说虽然不会第一时间损害织物下层的人体皮肤组织,但不利于热量水平方向传递,因此不利于热量的快速散失,有可能会热量堆积,最终使织物局部温度过高对人体造成伤害。使用石墨烯改性后,水平导热系数均有提升,这有利于热量迅速传导并散失,有利于改善积热现象。使用较低浓度的石墨烯能提升水平和竖直方向的导热系数,这是由于石墨烯本身具有优异的导热性能,其存在加快了织物的导热能力。在石墨烯浓度为2%以后竖直方向的导热系数逐渐减小,这是由于石墨烯的层间屏蔽作用阻止热量向涂层下方传导。石墨烯浓度为4%时垂直方向上的导热系数略低于织物原样。研究水平方向上的导热系数,可发现石墨烯的加入对其影响很大,所有织物的水平方向导热系数均高于原样,说明石墨烯涂层在织物表面发挥了导热作用。伴随石墨烯用量升高至4%,其导热系数达到最高,为2.249W·m-1·K-1。其各向异性系数也达到最高,符合快速散热、纵向隔热的预期。此外,质量分数1%的石墨烯涂覆织物也有比原样更大的各向异性系数,这为产业化节约成本提供了新的方案。

4技术优点

电路热管的结构设计灵活,能够根据不同的应用情况和功耗要求,设计不同结构、管径和管径的热管应用于同一个热管,并满足各种高功率芯片的冷却要求;循环管道是相对独立于其他构件的构件,单循环管道是独立制造的,易于调整,并且是批量制造的;作为独立的个体,单线管道更易于控制,从而确保性能良好的管道可以进入下一个操作,并降低成品的质量风险。单回路管道的制造工艺易于实施,可与普通管道制造设备广泛共享,从而节省了设备的前期资本成本。

5结论

(1)使用石墨烯刮涂处理的织物防护性能有明显提升。对比未处理织物,横向导热系数上升明显,可以将热量迅速水平传导并散失。石墨烯浓度为4%时水平导热系数最高,此时抗熔融金属冲击防护性最高。因此要达到最佳防护效果,石墨烯质量分数为4%。(2)应结合不同浓度石墨烯涂覆织物的性能特点达到最佳效果。织物热防护性最佳时增重也较大,为10.78%,透气性下降严重;而石墨烯浓度1%的改性织物热防护性及各向异性指标较好,且增重较小,为4.79%,透气性较好。为达到最佳防护效果与生产成本、穿着轻便与舒适性的平衡,4%石墨烯涂层织物可用于焊接金属熔滴冲击频率较大的部位,如制成手套、护腿等,其余部位使用1%浓度石墨烯涂覆织物以增加穿着舒适性。(3)防护性能的表现与织物表面石墨烯的分布有很大的关系。石墨烯质量分数为4%时在织物表面形成了石墨烯层,这种层状结构有利于形成导热通路,提高织物的点状热源冲击防护性,可用作电焊防护服和其他需要热防护的面料。石墨烯质量分数为1%时在织物表面形成导热微膜,同样可加快热量水平方向传导和散失,有利于个体防护。

结束语

1)石墨烯涂层能够提高热管散热器的散热效率。2)石墨烯涂覆在热管散热器不同的位置,有不同的散热效果。在绝热段涂覆石墨烯散热效果优于翅片涂覆石墨烯,全涂覆效果最佳。3)在相同电源功率下,采用表面涂覆石墨烯的热管散热器,有更好的散热效果,用较小体积热管散热器实现大的散热效果,为电源的小型化提供了参考依据。

参考文献

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