乙烷溫區低溫環路熱管設計與實驗

劉成志 董德平 楊 帆

(中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083)

乙烷溫區低溫環路熱管設計與實驗

劉成志 董德平 楊 帆

(中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083)

為了研究低溫環路熱管在乙烷溫區的啟動及運行特征，通過自行設計的樣機進行了實驗。實驗表明，在0.7 W的驅動功率下，低溫環路熱管可順利實現降溫啟動;運行時，可傳遞12 W的冷量，并且在9W時，傳熱熱阻最小，為1.14 K/W。

低溫環路熱管 乙烷溫區 設計 實驗

1 引言

環路熱管是一種高效的兩相傳熱設備，具有傳輸能力大、距離遠、空間布置更加靈活等特點。隨著低溫制冷機和深空探測技術的不斷發展，低溫環路熱管作為熱控設計中一種重要的設備，已經在美國開展的多個空間任務中成功地進行了飛行測試，結果證明了其在空間應用中的可行性與可靠性［1-2］。

由于使用場合的限制，低溫環路熱管(cryogenic loop heat pipe，CLHP)常用于小冷量傳遞，但對傳熱溫差卻有著較為苛刻的要求，因此在進行低溫環路熱管的設計時，希望其能在滿足冷量傳輸的要求下，冷熱兩端的溫差盡可能小。本文介紹一種自行研制的低溫環路熱管，通過實驗測試其降溫啟動性能及冷量傳輸能力。實驗證明，低溫環路熱管可傳遞12 W的冷量，傳遞9 W的冷量時，傳熱熱阻最小為1.14 K/W。

2 低溫環路熱管的設計及測試系統

通常在低溫環路熱管中，會采用次蒸發器的設計來輔助其降溫啟動［3］，但在本設計的低溫環路熱管中，不使用次蒸發器，對冷凝器采用一種新的加工方法，使其能夠起到次蒸發器的作用。

如圖1所示為冷凝器的設計模型圖。該冷凝器的設計方法為:使用精密機床在紫銅塊內部刻出蛇形工質換熱通道，由于該加工工藝受尺寸的限制很小，因此這種方法可以在一塊較小的紫銅塊表面加工出較長的工質流動通道，因此可以通過增加工質的流動通道的長度來提高冷凝器的冷凝能力。同時，在工質的流通通道上使用機加工的方式加工出簡單的金屬凸起。金屬凸起的作用:(1)作為強化凝結措施，提高冷凝器的冷凝能力;(2)作為一種毛細結構，通過在冷凝器表面布置加熱片驅動工質流向主蒸發器，起到次蒸發器的作用。基于這種方法，設計了一種新型的冷凝器，并測試了基于這種冷凝器的低溫回路熱管的降溫啟動和傳熱性能。

圖1 冷凝器的設計模型圖Fig.1 Design model of condenser

圖2和圖3分別為低溫環路熱管實物圖和低溫環路熱管上測溫點示意圖，實驗中采用Pt100的鉑電阻測溫，在蒸發器表面使用80 Ω的薄膜加熱片來模擬熱源，加熱功率記為H1;在冷凝器靠近液體管線的位置表面布置25 Ω的薄膜加熱片，用于驅動冷凝器內部的工質流向蒸發器，驅動加熱功率記為H2。在測溫鉑電阻中，其中冷源表面的鉑電阻記為TC1，冷凝器、液體管線、液池、蒸發器和氣體管線上所粘貼鉑電阻依次記為 TC2、TC3、TC4、TC5 和 TC6，位置如圖3所示。

圖2 低溫環路熱管實物圖Fig.2 Prototype of cryogenic loop heat pipe

圖3 低溫環路熱管測溫點示意圖Fig.3 Schematic diagram of Pt100 locations on cryogenic loop heat pipe

表1為低溫環路熱管各部分的參數，根據表中各部分參數計算出所需的充裝工質量，低溫環路熱管設計工作溫度在190 K，其中液體管線中充滿液體，氣體管線中充滿氣體，冷凝器內部按照50%液體，50%氣體;蒸發器內部吸液芯100%充滿液體，液池內部50%液體，50%氣體。因此有:

式中:VEva、VCC、VLL、VVL、VCond分別為蒸發器、液池、液體管線、氣體管線和冷凝器的體積，可根據表1中數據計算得到，ρl和ρv為乙烷工質液相和氣相密度，m為所需的乙烷工質質量。

190 K 時，ρl=535.8 kg/m3，ρv=2.667 33 kg/m3［4］，由于ρv遠小于ρl，所以計算時忽略后項，近似可得:

實驗中采用質量流量計來監測工質流量，因此需將上述工質質量m換算成標準狀態下(1×105Pa、25℃)的質量流量V(單位為標準升SL)，工質在標準狀態下氣相密度 ρ=1.238 5 kg/m3［4］:

表1 低溫環路熱管各部分的參數Table 1 Parameters of cryogenic loop heat pipe

整個實驗在φ500 mm×800 mm的真空室中進行，真空系統的真空度優于10-3Pa，把對流換熱的影響降到最低;另外，為減小真空系統輻射漏熱對低溫環路熱管性能的影響，管體外表面覆蓋多層隔熱材料。實驗過程中，使用液氮作為冷源，并輔以一定的控溫措施。

3 實驗結果與分析

實驗測試了低溫環路熱管降溫啟動及冷量傳輸能力。圖4為低溫環路熱管的降溫曲線，實驗中采用液氮作為冷源，因此剛開始時冷源和冷凝器溫度急劇下降到100 K，通過控溫，逐漸把冷源溫度恢復并穩定在190 K左右。待冷源溫度穩定后，在16:10，給冷凝器施加0.8 W的功率，液體管線溫度開始下降，后又在16:35，增加冷凝器的加熱功率至1.6 W，液體管線溫度加速下降，待液體管線溫度降至190 K并趨于穩定后，降低冷凝器加熱功率至0.7 W，觀察發現液池、蒸發器及氣體管線溫度依次下降至190 K左右，至17:40，低溫環路熱管各部件溫度均降至設計要求的工作溫區內，關閉冷凝器加熱，降溫結束，整個過程持續了約90分鐘。

圖4 低溫環路熱管的降溫曲線Fig.4 Temperature decrease curve of cryogenic loop heat pipe

圖5為低溫環路熱管的工作曲線，在18:13，在蒸發器上施加5 W的啟動加熱功率，工質在此功率的驅動下流動起來進入氣體管線，引起氣體管線溫度降低，熱管啟動，待各部件溫度穩定后降低加熱功率至2 W，又在6.87 W、9 W、12 W三個加熱功率下測試了熱管性能，發現低溫環路熱管均能正常工作。

圖6為低溫環路熱管的溫差熱阻曲線圖，觀察發現，熱管在傳遞9 W冷量時，其傳熱熱阻最小，為1.14 K/W。

圖5 低溫環路熱管的工作曲線Fig.5 Working curve of cryogenic loop heat pipe

圖6 低溫環路熱管的溫差熱阻曲線圖Fig.6 Temperature difference and thermal resistance curve of cryogenic loop heat pipe

4 結論

介紹了一種以乙烷作為工質的低溫環路熱管，該低溫環路熱管不采用次蒸發器的設計，通過加熱冷凝器驅動工質流動;通過在冷凝器上施加一定的加熱功率，促進低溫環路熱管的降溫啟動，整個降溫的時間約90分鐘;實驗證明，低溫環路熱管可傳遞12 W的冷量，在傳遞9 W冷量時，其傳熱熱阻最小。

1 Ku J.Operation characteristics of loop heat pipes［C］.29th International Conference on Environmental System.Colorado，1999.

2 Kaya T，Ku J.Ground testing of loop heat pipes for spacecraft thermal control［C］.33rd Thermophysics Conference.Norfolk，1999.

3 Triem T Hoang，Tamara A.O’Connell，J Ku，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space-based IR sensor and detector cryocooling［J］.Proceedings of SPIE，2003，5172:86-96.

4 陳國邦，包 銳，黃永華.低溫工程技術(數據卷)［M］.北京:化學工業出版社，2006.

Design and experimental investigations of ethane cryogenic loop heat pipe

Liu Chengzhi Dong Deping Yang Fan

(Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China)

In order to investigate the startup and working characteristics of the ethane cryogenic loop heat pipe，a self-designed prototype cryogenic loop heat pipe was made to carry out the relevant experiments.The experimental results show that the cryogenic loop heat pipe can accomplish the temperature decreasing process and startup under 0.7 W drive power，has the highest heat transfer capacity of 12 W in running and has the minimum thermal resistance of 1.14 K/W when running at 9 W.

cryogenic loop heat pipe;ethane;design;experiment

TB663

A

1000-6516(2011)06-0057-03

2011-10-14;

2011-11-30

劉成志，男，23歲，博士研究生。