深冷環路熱管超臨界啟動實驗研究

周順濤 莫 青 張紅星 苗建印

1 引言

深冷環路熱管(CLHP)的工作原理與常溫環路熱管(LHP)類似，它依靠蒸發器毛細芯產生的毛細力作用，使得低溫工質在回路內產生流動，實現熱量的收集、傳輸與排散［1］。對于環路熱管，啟動問題目前仍是困擾其步入實際應用的一個關鍵問題。從文獻［2-5］知，無論回路處于何種工況，能夠保證LHP順利啟動的首要條件就是蒸發器毛細芯能夠被液體工質良好浸潤。普通LHP(如氨環路熱管)在常溫下回路內工質處于氣液兩相狀態，蒸發器毛細芯一般都處于浸潤狀態，因此只需在蒸發器上直接施加熱載荷即能進行啟動。但是對于CLHP，其采用的都是低溫工質(如氮、氫)，在非工作狀態時(CLHP處于常溫環境)，回路內這類工質一般處于超臨界狀態［6］。因此，深冷環路熱管不能像常溫環路熱管一樣可以直接運行，而是需要在正常工作前將深冷環路熱管內部工質冷卻到氣液兩相狀態，并使其內部的氣液分布滿足啟動要求。當CLHP完成超臨界啟動后，其工作狀態與普通環路熱管類似。因此實現深冷環路熱管的超臨界啟動過程，是深冷環路熱管研制過程中必須首先解決的關鍵問題。

為了對CLHP的啟動特性及其影響因素有一個比較全面的了解和認識，本文通過實驗從儲氣室接入位置、副蒸發器功率、充裝壓力等方面對CLHP進行了研究，并對實驗現象進行了描述與分析。

2 實驗裝置

如圖1和圖2分別給出采用的小型CLHP測溫點分布圖和實物圖(其中儲氣室的位置根據實驗情況有所不同)，表1給出了主要的結構參數。該CLHP采用氮為工質，工作溫度范圍為80 K—120 K。除毛細芯材料為鎳粉外，其余均為不銹鋼。

表1 CLHP結構參數Table 1 Parameters of CLHP

整個實驗在真空罐中進行，真空系統的真空度優于10-2Pa，可忽略對流換熱的影響。另外，為了減小輻射漏熱的影響，CLHP管壁(除儲氣室)都采用20層的鍍鋁聚酯薄膜包裹。熱源采用的是纏繞在蒸發器有效加熱段的康銅加熱片模擬，通過改變輸入電壓來模擬不同功率的熱源。另外，實驗中將儲氣室遠離蒸發器和冷凝器，減少常溫儲氣室對回路的漏熱。

3 實驗結果及分析

3.1 儲氣室位置對啟動的影響實驗

對于CLHP，儲氣室可以有兩個接入位置，如圖1中實線所示位置(第1種接入位置)和虛線所示位置(第2種接入位置)。在第1種接入形式中，儲氣室與蒸氣管線直接相連，且盡量靠近主冷凝器入口側;第2種接入形式中，儲氣室則連接在次回路的回流管線上。為了考察儲氣室位置對CLHP回路啟動性能的影響，分別對CLHP樣機兩種接入位置進行了實驗。其中除了儲氣室位置不同外，測溫點的布置位置都相同。

圖3給出了儲氣室為第1種接入位置時的超臨界啟動過程。在開啟熱沉之后T11迅速下降，同時副蒸發器溫度T9也隨之降低。當T9達到臨界溫度(Tcr=126 K)時，主蒸發器側溫度T2、T3、T4突然降低，而后又逐漸回升。這個溫度變化過程是由于儲氣室對副儲液器等結構進行工質補充造成的。在10∶40左右，對副蒸發器施加5 W載荷，此時T10立刻下降，并維持在Tcr以下，表明副蒸發器已經順利啟動。之后，在副蒸發器毛細力的驅動下，不斷有液體工質從主冷凝器沿液體管線流向主蒸發器側，于是先前回升的T2、T3、T4又開始逐漸降低。經過約6 min的降溫，主蒸發器溫度T3已經達到了臨界溫度以下，這時主蒸發器亦達到了啟動條件。在11∶00對副蒸發器加載2 W功率，主蒸發器出口T4發生陡降而后保持穩定，說明主蒸發器中有低溫蒸氣產生，其毛細芯在副蒸發器的作用下得到了液體良好浸潤。以上現象表明，回路成功完成了超臨界啟動過程。

圖3 儲氣室第1種接入位置的超臨界啟動過程Fig.3 Supercritical startup of CLHP with the 1st hot reservoir location

對于儲氣室第2種接入位置的超臨界啟動過程如圖4所示。整個啟動過程與圖3類似，包括副蒸發器降溫啟動過程和主蒸發器降溫啟動過程。但是，從圖中可以發現兩種情況所對應的啟動現象有所不同。主要體現在對副蒸發器降溫時，圖4中T2、T3、T4并沒像圖3中一樣發生先下降后回升的現象，而是一直保持在常溫狀態。該現象的原因是儲氣室對回路工質補充的路徑不同:對于第1種接入位置，儲氣室中的工質需要先經過主冷凝器降溫，然后這部分低溫工質經主蒸發器和主儲液器(T2、T3、T4降低的原因)，再由次回路回流管線進入次冷凝器和副儲液器中，而后待工質補充過程結束T2等又逐漸回升;而對于第2種接入位置，儲氣室的工質可以直接對副儲液器補氣，而不需要經過主冷凝器和主蒸發器。

通過實驗知，儲氣室的接入位置對CLHP啟動的影響不大，采用以上兩種接入位置均能實現超臨界啟動過程。但是在進行設計時，儲氣室應盡量遠離主蒸發器側，以減少漏熱影響。

圖4 儲氣室第2種接入位置的超臨界啟動過程Fig.4 Supercritical startup of CLHP with the 2nd hot reservoir location

3.2 副蒸發器功率對啟動的影響實驗

如圖5所示，在13:45左右副蒸發器溫度T9已經降低至臨界溫度以下并趨于穩定，此時對副蒸發器先施加2 W功率，出口溫度T10迅速下降，副蒸發器啟動。同時，可以看出T2、T3、T4也開始逐漸降低。副蒸發器啟動約170 min后，主蒸發器溫度T3降低至180 K且趨于平緩，表明從主冷凝器轉移至主蒸發器的冷量與主蒸發器自身的環境寄生漏熱達到了平衡。由于該溫度明顯高于工質氮的臨界溫度126 K，主蒸發器內不可能為氣液兩相工質，其毛細芯亦不可能被液體工質浸潤，因而無法啟動主蒸發器，即對副蒸發器施加2 W的熱載荷不能實現CLHP的超臨界啟動。

圖5 副蒸發器功率對啟動的影響Fig.5 Effect of secondary evaporator heat load on supercritical startup

此后，將副蒸發器上的熱載荷提高至了3 W，此時主蒸發器溫度T3立即加速下降至臨界溫度以下。當T3降至約106 K時，主蒸發器出口溫度T4迅速下降，表明液體工質開始浸潤主蒸發器毛細芯。當主蒸發器溫度逐漸穩定時，即可對主蒸發器施加熱載荷來啟動主回路。

由圖5可知，受寄生漏熱的影響，要實現該CLHP的超臨界啟動，副蒸發器上所需施加的最小熱載荷介于2 W和3 W之間，并且增大副蒸發器功率能明顯加快主蒸發器降溫過程。

3.3 充裝壓力對啟動的影響實驗

充裝壓力對CLHP啟動的影響主要在降溫過程中。由于CLHP啟動前，其內部工質處于超臨界狀態，只有當溫度和壓力降低至臨界溫度和臨界壓力以下時，才會發生凝結現象。對于給定的CLHP，如果充裝壓力太大可能會導致在主冷凝管線、冷凝管線以及副儲液器和副蒸發器溫度降至臨界溫度以下時，回路中的壓力仍然高于臨界壓力，因而不會產生凝結液。

如圖6所示，CLHP降溫時間隨充裝壓力的變化關系(保持Q1=0 W，Q2=4 W)，圖中的降溫時間是指從副蒸發器加載功率開始到主蒸發器溫度降低到臨界溫度所需的時間。從圖中可以看出，CLHP的降溫時間隨著壓力的增大，呈現“√”型變化，在充裝壓力為1.0 MPa時，系統所需的降溫時間最短，僅需要15 min。當充裝壓力高于或者低于1.0 MPa時，降溫速度都比1.0 MPa時慢。實驗結果顯示，對于給定的CLHP存在一個最佳充裝壓力，在該充裝壓力下的降溫過程中主蒸發器能夠以最短時間達到穩定狀態。對于采用的CLHP，其最佳充裝壓力在1.0 MPa左右。

圖6 充裝壓力對啟動時間的影響關系Fig.6 Time of supercritical startup versus filling pressure

圖7 給出了降溫穩定時主要特征點溫度隨充裝壓力的變化情況(Q1=0 W，Q2=4 W)。隨著壓力的增大，主蒸發器和主儲液器的溫度都逐漸升高。這是由于充裝壓力增大，回路內的飽和壓力增大，使得回路溫度升高。另外，實驗發現當充裝壓力較小時(如圖7中的0.5 MPa和0.7 MPa)，所測得的副蒸發器溫度很高。特別是當充裝量為0.5 MPa時，副蒸發器溫度已經高于臨界溫度，但最后回路仍然實現了主蒸發器的降溫過程，表明此過程中的副蒸發器仍處于運行狀態。為何副蒸發器溫度偏高，分析其原因是由于充裝壓力小時，隨著降溫過程的不斷進行，大部分工質都轉移到了主儲液器和主蒸發器中，使得副蒸發器側的工質量相對不足。與一般的環路熱管不同，雖然副蒸發器中的工質量不足，但是由于CLHP副儲液器與熱沉是直接相連的，其作用相當于冷凝器。因此，只要冷卻效果好，副儲液器中就會不斷有凝結液形成并進入毛細芯中，當所加功率不是很大時也不會出現毛細芯完全燒干的情況，所以回路仍然可以維持運行。

圖7 主要特征點溫度隨充裝壓力的變化Fig.7 Temperature variations of critical parts versus filling pressures

需要注意的是，充裝壓力對啟動時間的影響并非絕對的，因為在充裝壓力大的情況下仍然可以通過增加副蒸發器功率，以加快主蒸發器的降溫過程，縮短啟動時間，如圖5中所示。

4 結論

對深冷環路熱管的超臨界啟動過程進行了描述，并通過實驗研究了儲氣室位置、副蒸發器功率以及充裝壓力對超臨界啟動過程的影響，結果表明:

(1)CLHP儲氣室的兩種接入位置(蒸氣管線和次回路回流管線)都能實現超臨界啟動，只是受補氣路徑的不同其啟動現象會存在差異。另外，建議儲氣室應盡量遠離主蒸發器側，以減小其對主蒸發器的漏熱影響。

(2)在系統漏熱量一定時，副蒸發器存在一個最小啟動功率，在副蒸發器功率大于或等于該功率時，才能使主蒸發器達到啟動條件(毛細芯得到液體浸潤)，而小于該功率時主蒸發器受寄生漏熱的影響，不能實現液體工質對其毛細芯的良好浸潤。

(3)對于回路結構一定的CLHP，當副蒸發器功率一定時，其存在一個最佳充裝壓力，在該充裝條件下能使得啟動過程最為迅速。

1 BugbyD，StoufferC，GarzonJ，etal．Advanceddevicesforcryogenic thermalmanagement［J］．AdvancesinCryogenicEngineering，America InstituteofPhysics，2006．

2 ParkerML．ModelingofLoopHeatPipewithApplicationstoSpacecraftThermalControl［D］．Pennsylvania:FacultyofMechanicalEngineeringandAppliedMechanics，UniversityofPennsylvania，United States，2000．

3 MaidanikYF，SolodovnikNN，FershtaterYG．Investigationofdynamicandstationarycharacteristicsofaloopheatpipe［C］．Proceedingsofthe9thInternationalHeatPipeConference，Albuquerque，1-5 May，1995:1002-1006．

4 KuJT．OperatingCharacteristicsofLoopHeatPipes［R］．Societyof AutomotiveEngineers，1999．

5 張紅星．環路熱管兩相傳熱技術的理論和實驗研究［D］．北京:北京航空航天大學，2006．

6 邱信立，廉樂明，李力能．工程熱力學(第三版)［M］．北京:中國建筑工業出版社，1992．