一種提高低溫環路熱管主蒸發器降溫速率的新方法及實驗結果

楊 帆 董德平

(中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083)

1 引言

環路熱管發展的一個重要趨勢是低溫化［1］。在低溫環境中，與傳統的傳熱器件比如紫銅冷鏈相比，低溫環路熱管(cryogenic loop heat pipe，CLHP)因其具有傳輸距離遠、傳輸冷量大、溫差小等優勢，將被用于紅外探測器焦平面與空間機械制冷機之間的冷量傳遞。但是低溫環路熱管的工質在常溫狀態下一般處于超臨界狀態(如N2，H2，O2等)或者接近臨界狀態(如C2H6、C3H6)。當低溫環路熱管從常溫狀態下開始降溫時，冷凝器與冷源相連，其溫度會隨著冷源溫度的降低而降低，液態工質最先在冷凝器中出現。在不添加任何驅動部件的前提下，低溫環路熱管冷凝器內部的液態工質不會自動流向蒸發器，而蒸發器與冷凝器之間的液體管線、氣體管線的管殼熱阻很大，因此低溫環路熱管蒸發器的降溫速率會非常緩慢，遠小于冷凝器降溫速率，甚至主蒸發器溫度不會降低并最終導致低溫環路熱管啟動失敗。因此，需要使用一些驅動措施來提高低溫環路熱管主蒸發器降溫速率，解決低溫環路熱管從常溫環境開始降溫時面臨的啟動問題。

2 兩類常用的驅動方式

為了解決低溫環路熱管啟動面臨的問題，加快低溫環路熱管蒸發器在啟動前的降溫過程，文獻［2］中總結了3種解決思路:Dual－Loop CLHP(在低溫環路熱管的冷凝器和蒸發器之間再并聯一個常溫環路熱管，見圖1);Condenser mounted CLHP(將一個次蒸發器緊貼冷凝器，并且串聯到低溫環路熱管的工質流動通道中，見圖2);Advanced CLHP(將一個次蒸發器環路并聯到工質主環路的流動通道中，見圖3)。但是在實驗研究中，研究者并沒有完全依照上述的3種思路來設計低溫環路熱管，其中Dual－loop CLHP已經被研究者放棄，另外兩種思路被研究者進行修改。針對不同的低溫環路熱管實物，按照低溫環路熱管中次蒸發器的布置方式來進行分類，主要為兩種方式:(1)次蒸發器放置在兩個冷凝器之間，與冷凝器串聯;(2)次蒸發器與冷凝器并聯。

圖1 Dual-loop CLHP的模型圖Fig.1 Model of Dual-loop CLHP

圖2 Condenser-mounted CLHP模型圖Fig.2 Model of Condenser-mounted CLHP

圖3 先進回路熱管模型圖Fig.3 Model of advanced CLHP

2.1 串聯次蒸發器與冷凝器的驅動方式

這種驅動方式的原型是 Condenser－mounted CLHP，但是依據此方式設計成功的低溫環路熱管都被取消了與次蒸發器相連的液體補償器。其設計方式和驅動原理為:次蒸發器被串聯進入冷凝器，冷凝器被分為兩部分;次蒸發器內部使用毛細結構;次蒸發器的位置緊鄰冷凝器的一部分(可以參考圖4、圖5)。當冷凝器隨著冷源溫度降低并出現液體時，由于次蒸發器緊鄰冷凝器，在毛細力的作用下，次蒸發器內部將很快充滿液態工質，加熱次蒸發器使其內部液態工質汽化，升高壓力，驅使次蒸發器前部的冷凝器內部工質流向主蒸發器，利用液態工質的潛熱帶動主蒸發器降溫，加速主蒸發器的降溫過程。

圖5 莫青設計的低溫環路熱管模型圖Fig.5 Model of CLHP designed by Mo Qing

美國Thermacore公司Dmitry Khrustalev依據串聯次蒸發器與冷凝器的驅動方式設計了使用氧氣作為工質的低溫環路熱管(如圖4)［3］，該低溫環路熱管有主冷凝器和次冷凝器兩個冷凝器，其中次蒸發器緊鄰主冷凝器，內部填充不銹鋼多孔燒結材料。使用GM制冷機提供冷源，當冷凝器降低到－200℃之后，對次蒸發器添加4 W加熱持續45分鐘，之后提升到6 W并持續2.5小時，使低溫環路熱管達到可以啟動的狀態。

中國科學院理化技術研究所莫青設計了一臺液氮溫區的低溫環路熱管，她設計了更為簡單的次蒸發器［4］，連接到冷凝器內部(如圖5)。次蒸發器為1根內部切出軸向槽道的短管，其中槽道用以提供毛細通道。當次蒸發器內部的槽道被液態工質浸潤時，加熱次蒸發器，推動處于次蒸發器前方冷凝器內部的液態工質流向主蒸發器，這種設計新穎的次蒸發器已經被試驗證實能夠起到驅動主蒸發器降溫的作用。

2.2 并聯次蒸發器與冷凝器的驅動方式

這種驅動方式由TTH提出，其設計方式和驅動原理為:次蒸發器內部放置多孔燒結材料，將一個次蒸發器補償器組件與一次冷凝器串聯，然后并聯到環路熱管的主回路中(參考圖6、圖7)。與次蒸發器相連的補償器緊鄰次冷凝器。當冷源溫度降低時，補償器內部為兩相狀態，次蒸發器內部被液態工質浸潤。加熱次蒸發器，液體汽化，合理設計工質在各個管道內部流動阻力，使次蒸發器內部氣態工質流向主冷凝器，驅動主冷凝器內部的液態工質流向主蒸發器，從而促進主蒸發器降溫。

基于這種驅動方式，TTH公司在2003年研制成功 H2－ALHP1［5］，將一個由次蒸發器與次冷凝器組成的次回路并聯到主環路的內部，為了實現對主蒸發器溫度的精確控制，TTH使用了與主蒸發器連接一起的補償器。2005年，對H2－ALHP1進行改進，在氣體管線上安裝了swing volume，研制成功了H2－ALHP2(如圖6)，它能夠將10 W冷量傳遞2.5 m［6］，并且這種設計方式的低溫環路熱管具有精確控制主蒸發器表面溫度的能力。南京理工大學根據這種設計思路研制成功了使用氮為工質的低溫環路熱管［7］，分別測試了對次蒸發器施加15 W和20 W加熱功率時低溫環路熱管的降溫過程，其設計的液氮低溫環路熱管的最大傳輸能力為15 W。

圖6 TTH公司研制的H2-ALHP2Fig.6 H2-ALHP2 designed by TTH corporation

美國Swales公司James Yun根據TTH公司的原始模型，取消了與主蒸發器相連的液體補償器，設計了一款使用乙烷作為工質的低溫環路熱管(如圖7)，并且在實驗上取得成功［8］。法國 CEA－SBT(Commissariat àl’Energie Atomique－Service des Basses Températures)的P Gully依據swales公司乙烷低溫環路熱管的設計思路，使用并聯的次蒸發器作為驅動措施，研制了使用氮作為工質的低溫環路熱管［9］，該液氮低溫環路熱管具有優異的冷量傳遞能力。

圖7 James Yun設計的乙烷低溫環路熱管Fig.7 C2H6-CLHP designed by James Yun

根據以上的總結，在低溫環路熱管中，將次蒸發器與冷凝器串聯或者并聯進入環路熱管，都已經被實驗證明能夠起到促進低溫環路熱管的啟動、加快低溫環路熱管的主蒸發器降溫的目的。

3 一種新的設計思路

本文中設計的低溫環路熱管見圖8、圖9，從串聯次蒸發器與冷凝器的思路出發，使用了一種新的設計:取消次蒸發器，重新設計低溫環路熱管的冷凝器，將次蒸發器與冷凝器統一為一個部件。螺紋槽道被加入到冷凝器的設計中，其作用就相當于次蒸發器內部的毛細結構。當低溫環路熱管從常溫開始降溫時，冷凝器內部出現液態工質，并且浸潤整個螺紋槽道，在冷凝器表面選取合適的位置布置加熱片，加熱冷凝器，使液態工質汽化，從而驅動流動路徑前方的液態工質流向主蒸發器，加速主蒸發器溫度降低。這樣冷凝器兼有次蒸發器驅動工質流動的作用，次蒸發器在設計的低溫環路熱管中被完全取消。這種設計的另一個優點為:螺紋槽道是一種強化凝結措施［10］，可以提高冷凝器的凝結效率，減小冷凝器的尺寸和重量，從而實現低溫環路熱管的小型化。

圖8 基于新型冷凝器的液氮低溫環路熱管Fig.8 Nitrogen CLHP using a novel condenser

圖9 冷凝器內部細節模型圖Fig.9 Layout of inner detail of condenser

4 實驗結果

基于上述的設計思路，設計了工作在液氮溫區的低溫環路熱管，其主要部件包括:冷凝器組件，補償器、蒸發器、液體管線、氣體管線與氣庫，使用高純氮(體積分數99.999%)作為工質，實物照片參看圖8所示，表1給出該低溫環路熱管主要的結構參數。

表1 低溫環路熱管各部分的參數Table 1 Parameter of CLHP

使用兩塊冷凝器串聯到一起以提高冷凝器組件的最大冷卻能力，加熱片被粘貼到靠近氣體管線的冷凝器上。低溫環路熱管管體部分被放置在φ500×800的真空室，使用液氮作為冷源。為減小系統漏熱對低溫環路熱管的影響，管體外表面覆蓋多層隔熱材料。整個實驗過程中真空度優于10－2Pa。氣庫放置在真空室的外面，并且氣庫與低溫環路熱管管體之間沒有閥門。因此在整個實驗測試過程中，實驗的工況改變，氣庫與管體之間始終存在工質交換。另外考慮到液氮溫區低溫環路熱管主要應用于空間低溫制冷機的冷量傳遞，這就要求冷凝器添加的加熱功率不宜過大，否則制冷機提供的冷量將主要被驅動功率所消耗。因此在實驗中，當冷凝器降低到液氮溫度后，只對冷凝器施加1 W加熱功率用于驅動冷凝器內部的液體流向蒸發器。這些要求都是為了保證低溫環路熱管的實驗環境盡可能接近未來的工作環境。低溫環路熱管被水平放置，圖10所示為其表面PT100鉑電阻的粘貼位置，P為使用壓力傳感器測量氣庫的壓力變化。

圖11為充裝壓力為4.35 MPa時低溫環路熱管的降溫曲線，整個降溫過程持續近5 000 s，冷凝器表面的驅動加熱功率為1 W。在2 000 s左右，冷凝器降低到液氮溫度，TC4的溫度首先下降，開啟冷凝器加熱功率，之后TC7開始下降，TC4的溫度首先下降然后在繼續上升，從2 000 s到4 000 s，TC6、TC5、TC4先后迅速降低，加熱片持續2 000 s;在4 500 s左右，TC4、TC5、TC6、TC7 都穩定在 100 K 左右，并持續 1 500 s。在8 000 s，TC4先迅速降低到液氮溫度，之后TC5、TC6、TC7先后降低到液氮溫度。

圖10 低溫環路熱管PT100鉑電阻的粘貼位置Fig.10 Model of N2-CLHP with PT100 location

圖11 充裝壓力為4.35 MPa時CLHP的降溫曲線Fig.11 Temperature decreasing curve of CLHP with filling pressure of 5.55 MPa

分析整個降溫過程可以發現，在整個低溫環路熱管的溫度降低到低于氮的臨界溫度后(126 K)，穩定了一段時間后，TC4的溫度最先降低到液氮溫區，之后TC5、TC6、TC7先后降低到液氮溫度。說明該低溫環路熱管部件的特殊設計糾正了工質的流向，使液態工質先進入液體管線，工質按照設計的方向流動。說明低溫環路熱管的設計是成功的，設計的新型冷凝器能夠在加熱的情況下驅動內部的工質流向主蒸發器。而造成降溫初始階段逆流的原因是由于冷凝器表面加熱片布置的位置太靠近氣體管線。

圖12為低溫環路熱管在充裝壓力為4.35 MPa時完整的工作曲線，由圖可見，當加熱蒸發器之后，TC5、TC6、TC7的溫度開始上升，但是TC4始終低于TC5、TC6、TC7，表明在工作狀態下液態工質通過液體管線進入蒸發器內部，工質的流動方向與設計方向一致。盡管整個低溫環路熱管在啟動前的冷卻過程中存在工質逆流的情況，但是由于低溫環路熱管各個部件的合理設計，確保了在正常工作的情況下，工質按照正確的方向流動。另外，由圖可見，該低溫環路熱管的最高傳輸能力為6 W。

圖12 充裝壓力為4.35 MPa時低溫環路熱管的工作曲線Fig.12 Working curve of CLHP with filling pressure of 4.35 MPa

5 結論

介紹了一種新的加速低溫環路熱管主蒸發器降溫速率的驅動方式:取消次蒸發器這個部件，重新設計冷凝器，在冷凝器內部使用螺紋槽道使冷凝器具有次蒸發器的功能。加熱冷凝器，驅動其內部工質流向蒸發器，提高蒸發器的降溫速率，促進低溫環路熱管從常溫啟動。基于這種思路，設計了一臺使用液氮為工質的低溫環路熱管樣機，并且通過實驗證實冷凝器的作用。

通過實驗結果可以看到，當低溫環路熱管從常溫環境中開始降溫時，使用液氮作為冷源，在1 W驅動功率的作用下，總的降溫時間為8 000 s，蒸發器和冷凝器達到液氮溫度。

不足之處在于低溫前的冷卻過程中，存在工質逆流的情況。但是當溫度降低到氮的臨界溫度以下時，低溫環路熱管能夠自動糾正流向。

設計的冷凝器一方面可以保證冷凝器具有次蒸發器的功能，另一方面，螺紋槽道的引入，提高了冷凝器的凝結效率，減小了冷凝器的尺寸，這對以后實現低溫環路熱管的小型化具有巨大的意義。

本設計方法已經申請專利，專利申請號為:200910197303.6。

1 向艷超，侯增祺，張加迅.環路熱管技術(LHP)的發展現狀［J］.工程熱物理學報，2004(4):144－146.

2 D Bugby，C Stouffer，T Davis，et al.Development of advanced cryogenic integration solutions［J］.Cryocooler 10，1999:677－678.

3 Dmitry Khrustalev.Cryogenic loop heat pipes as flexible thermal links for cryocoolers［J］.Cryocooler 12，2003:709－716.

4 莫 青，蔡京輝，梁驚濤，等.槽道熱管在加快低溫回路熱管主蒸發器降溫過程中作用的實驗研究［J］.低溫工程，2005(4):14－17.

5 Triem T Hoang，Tamara A O’Connell，Jentung Ku，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space－based ir sensor and detector cryocooling［C］.SPIE 11th cryogenic optical systems and instruments，2003，NO.AM03－AM125－4.

6 Triem T Hoang，Tamara A.O’Connell，et al.Performance demonstration of a hydrogen advanced loop heat pipe for 20－30K cryogenic of far infrared sensors［C］.SPIE 12th cryogenic optical systems and instruments，proceedings of SPIE，5904.

7 李 強，馬 路，宣益民.低溫環路熱管(CLHP)的實驗研究［J］.工程熱物理學報，2010(1):122－125.

8 James Yun，Ed Kroliczek，Larry Crawford.Development of a cryogenic loop heat pipe(CLHP)for passive optical bench cooling applications［C］.32nd international conference on environmental systems，NO.2002－01－2507.

9 P Gully，M Qing，P Seyfert，et al.Nitrogen cryogenic loop heat pipe:results of a first prototype［J］.Cryocoolers 15，2009:525－531.

10 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，2006:312－313.