多尺度復合毛細芯環路熱管的傳熱特性

王野，紀獻兵，鄭曉歡，徐進良

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，多相流與傳熱北京市重點實驗室，北京 102206）

引 言

隨著集成化技術的快速發展，電子元件等高熱通量器件的散熱問題逐漸成為制約其行業發展的技術瓶頸。環路熱管（loop heat pipe, LHP）作為一種高效的兩相傳熱裝置，由于具有傳熱效率高、傳熱溫差小、可長距離傳熱等優點，受到了越來越多的關注。目前，環路熱管在航空航天、電子冷卻等領域得到了廣泛的應用[1-3]。

環路熱管的運行受諸多因素的影響。作為其中的核心部件，毛細芯的特性參數直接影響到LHP的傳熱性能。因此針對LHP的性能優化主要集中在對毛細芯的改進上。目前，已有多種結構和材料的毛細芯投入應用，如絲網[4-6]、泡沫金屬[7]、聚乙烯[8]、陶瓷芯[9]、金屬粉末燒結[10-13]等。然而上述毛細芯多數屬于單一尺度結構，若孔徑過大會導致毛細驅動力不足，孔徑過小則會導致蒸汽溢出阻力過大，很難協調蒸汽溢出和液體吸入的矛盾關系。而多尺度毛細芯在同一表面上具有不同尺度的孔徑，較小孔徑用于液體吸入，較大孔徑用于蒸汽溢出，在解決毛細芯對于孔徑尺度的不同需求方面體現出極大的優勢，正逐漸被應用到LHP中[14-16]。另外，為滿足工質高效蒸發和抑制熱泄漏對毛細芯熱導的不同需求，復合毛細芯成為毛細芯發展的新趨勢，其制作工藝有雙金屬燒結[17-18]和添加造孔劑[19]等。在LHP的實際應用中，除自身結構外，由于季節更替和工作環境的變化，LHP冷凝端所處的環境溫度、放置角度等因素同樣會影響其傳熱特性。目前，針對多尺度復合毛細芯的研究工作尚未系統展開，對LHP的優化機理仍在探索之中。

針對上述問題，本文制備了一種多尺度復合毛細芯環路熱管，并在不同的加熱功率、放置角度和冷卻方式條件下，對其傳熱特性進行了測試。

1 實驗系統與毛細芯的制備

1.1 實驗系統

如圖1所示，本文所用實驗系統由環路熱管、電加熱系統和數據采集系統3部分組成。環路熱管由蒸發腔、補償腔、冷凝器、蒸汽管路和液體管路等部分組成。蒸發腔與補償腔制成一體，直徑分別為?93 mm和?13 mm。蒸發腔厚度為10 mm。所有管道均由?8×0.5 mm的銅管制成，蒸汽管路和液體管路分別長300 mm和220 mm。

采用加熱膜片作為模擬熱源，輸出功率由調壓器和功率表共同控制，輸出范圍為0～200 W。加熱面積為5 cm2。為減小接觸熱阻，在加熱膜片和蒸發腔壁面之間涂有導熱硅脂。

溫度測量采用K型熱電偶，共有13個測點。其中，4個測點Te,out、Tc,in、Tc,out、Tcc，如圖1 (a)所示，分別用于測量蒸發腔出口，冷凝器入口，冷凝器出口和補償腔的溫度。為降低管壁熱阻對溫度測量的影響，如圖1 (b)所示，Te,out和Tcc測點分別伸入蒸汽管路中心和補償腔內部。其余9個測點用于測量蒸發腔壁面溫度，如圖1 (c)所示，其中，Tc為蒸發腔壁面中心的溫度。數據采集所用儀器為Agilent34970A。

圖1 環路熱管系統圖 Fig.1 Loop heat pipe for experiment

冷凝器的冷卻方式有兩種：①風冷方式，在室溫下，采用一臺5 W的風扇進行強制對流散熱；②冰冷方式，將冷凝器放置于保持在0℃的冰水混合物中，用于模擬冷凝器所處環境溫度接近0℃時的情況（如冬季等）。此外，LHP的放置角度θ有3種：θ=0°、90°和-90°。其中，0°代表LHP水平放置，蒸發腔和冷凝器位于同一高度；90°（-90°）代表LHP豎直放置，蒸發腔低于（高于）冷凝器。實驗所用工質為蒸餾水，充液比（工質體積/LHP內部總體積）為40%。

1.2 多尺度復合毛細芯的制備

本文所制備的多尺度復合毛細芯共分為3層，結構如圖2所示。主毛細芯呈溝槽狀，次毛細芯和第三毛細芯呈平板狀。3層毛細芯厚度均為2 mm。

圖2 多尺度復合毛細芯結構 Fig.2 Structure of modulated composite porous wick

主毛細芯是工質的相變區域。為減小接觸熱阻，本文將其直接燒結在蒸發腔壁面上。原料采用88 μm的枝狀銅粉，燒結成型后的主毛細芯孔隙率為47%，具有多尺度結構。其微觀結構如圖3所示。從圖中可以看出，由于燒結的作用，銅粉顆粒（particle）之間不僅形成了有利于液體吸入的小孔（small pore），而且聚集成群(cluster)，形成了有利于蒸汽溢出的大孔（large pore），從而有效地滿足了同一表面內蒸汽溢出與液體吸入對于孔徑尺度的不同需求，達到強化傳熱的目的。

次毛細芯采用100 μm的球狀銅粉，利用二次燒結技術，將其與主毛細芯燒結成一體?？紫堵蕿?3%，具有單一尺度結構，孔隙均勻，不存在多尺度結構所具有的大的蒸汽溢出通道，因此可防止蒸汽向補償腔擴散。工質發生相變后，蒸汽即沿著主 毛細芯的宏觀槽道流出蒸發腔。

圖3 主毛細芯SEM圖 Fig.3 SEM image of primary wick

第三毛細芯采用具有高吸水性的隔熱棉，將其貼附在次毛細芯上，利用自身較低的熱導率以及與次毛細芯之間較大的接觸熱阻，起到降低熱泄漏的作用。

綜上，3層毛細芯分工明確，主毛細芯用于提供相變區域并強化傳熱，次毛細芯用于防止蒸汽向補償腔擴散并提供額外的毛細動力，第三毛細芯用于阻熱。三層毛細芯有機結合，提升了LHP的傳熱性能。

2 數據處理

根據環路熱管的工作原理，為評價其傳熱性能，將各參數定義如下：

（1）熱阻Rtotal為將冷凝器溫度變化所造成的影響考慮入內，綜合反映LHP與外界環境之間的散熱能力，本文將熱阻定義如下

式中，Tc為蒸發腔壁面中心溫度；Tair為環境溫度；Q為加熱功率。文獻[20-21]應用同樣公式進行了熱阻的計算。

（2）熱泄漏αcc當LHP處于穩定狀態，可忽略補償腔和液體管路與環境之間的熱交換，熱泄漏αcc可用式(2)～式(5)[22]算出

式中，Qcc為從蒸發腔到補償腔的熱泄漏量；Qvap為由工質相變并攜帶至冷凝器中散失的熱量；mf為工質的質量流量；cp和r分別為工質的比定壓熱容和汽化潛熱；Gcc為毛細芯的熱導；Tcc為補償腔的溫度；Tc,out為冷凝器的出口溫度；TV為蒸發腔的飽和溫度。

（3）均溫性系數β 本文定義均溫性系數β作為比較不同工況下蒸發腔壁面均溫性的物理量

式中，max(Teva)為蒸發腔壁面上所有溫度的最大值；Tavg為蒸發腔壁面的平均溫度。

3 結果分析與討論

3.1 啟動特性

啟動特性是衡量LHP性能的重要指標。圖4表明LHP在θ=90°，風冷條件下的啟動過程。當加熱功率為20 W時（熱通量q為4 W·cm-2），蒸發腔壁面中心溫度Tc、蒸發腔出口溫度Te,out、冷凝器入口溫度Tc,in均呈現出驟升的現象，表明LHP已成功啟動，并發現該LHP啟動時間較短，啟動后運行穩定，無大的溫度波動。

圖4 LHP的啟動過程 Fig.4 Start-up process of LHP

3.2 蒸發腔壁面中心溫度

蒸發腔壁面中心溫度Tc是LHP系統中的最高溫度，可用于表征LHP的傳熱性能。圖5顯示出放置角度θ=90°時，冷卻方式對Tc的影響?？梢园l現冰冷方式的Tc始終小于風冷方式。當加熱功率Q為200 W時（熱通量q為40 W·cm-2），風冷方式的Tc為75℃，而冰冷方式僅為64℃。其原因在于，由于冷凝強度的提高，冷凝器中兩相區域變短，過冷段加長，從而提高了回流液體的過冷度，補償腔溫度相對降低，其與蒸發腔之間的溫差提高，飽 和壓差隨之提高，促使工質循環加快。因此，冰冷方式較風冷方式可以顯著降低Tc，強化LHP傳熱 性能。

圖5 θ=90°時冷卻方式對Tc的影響 Fig.5 Effects of cooling condition on Tcwhen θ=90°

圖6表明在冰冷方式下，放置角度θ對Tc的影響?？梢钥闯?，-90°的LHP Tc始終最高；當Q較小時，0°的LHP Tc最低；隨著Q的提高，90°的LHP Tc逐漸成為最小值，相交點出現在Q=100 W附近（q為20 W·cm-2）。造成這種現象的原因在于，在初始階段，由于Q較小，參與到循環過程中的工質較少，與0°的LHP相比，90°的LHP的多數液體工質聚集在蒸發腔、補償腔以及蒸汽管路中，工質循環阻力較大，因此Tc相對較高；而隨著Q增加，參與到循環過程中的工質逐漸增多，因液體聚集而產生的阻礙作用減小，同時，重力對于工質循環的輔助作用凸顯出來，使得工質流動加快，蒸發高效進行。因此，當加熱功率不同時，放置角度對Tc的影響有所不同。

圖6 冰冷條件下放置角度對Tc的影響 Fig.6 Effects of inclination angle on Tcat ice cooling

3.3 熱阻

熱阻Rtotal是衡量LHP傳熱性能的重要參數，較小的熱阻表明LHP具有較好的傳熱性能。圖7表明在風冷條件下，放置角度θ對Rtotal的影響?？梢钥闯?，3種放置角度的Rtotal均隨著Q的增加而降低。當Q較小時，0°的熱阻最??；隨著Q的增加，90°的熱阻逐漸低于0°的熱阻；而-90°的熱阻始終最高。圖8表明當θ=90°時，冷卻方式對Rtotal的影響?？梢园l現，相比于風冷方式，冰冷方式可以降低熱阻，Rtotal最低為0.19 K·W-1。

3.4 熱泄漏

熱泄漏是影響LHP運行的重要因素。熱泄漏不僅與毛細芯的結構和材料有關，還與毛細芯中工質的分布有關，毛細芯熱導Gcc隨其潤濕程度的增加 而減小[22]。

圖7 風冷條件下放置角度對Rtotal的影響 Fig.7 Effects of θon Rtotalat air cooling

圖8 θ=90°時冷卻方式對Rtotal的影響 Fig.8 Effects of cooling condition on Rtotalwhen θ=90°

圖9 冰冷條件下放置角度對熱泄漏的影響 Fig.9 Effects of θ on heat leak at ice cooling

在本文中，溫度的不確定度為0.3℃。由圖9和圖10可以發現，應用多尺度復合毛細芯可以有效降低熱泄漏，其最大值不超過0.05。經計算，熱泄漏的相對不確定度為3.6%，因誤差造成的最大偏移為0.0018。因此，放置角度和冷卻方式對熱泄漏有顯著影響。

圖9表明在冰冷方式下，放置角度θ對熱泄漏的影響。通過對比不同角度下的熱泄漏，發現θ=90°的LHP的熱泄漏始終最小。其原因在于90°的LHP蒸發腔低于冷凝器，液體集中在蒸發腔和補償腔中，工質對毛細芯的潤濕效果較好，因而熱導Gcc較小。隨著加熱功率Q的增加，不同角度的LHP的熱泄漏表現出不同的變化趨勢。對于0°和-90°的LHP，其熱泄漏隨功率的增加而增加，當Q超過40 W后（q為8 W·cm-2），熱泄漏基本趨于穩定；而90°的LHP熱泄漏隨Q的增加呈現出先升后降的趨勢，最大值出現在Q=100 W處（q為20 W·cm-2）。這是因為當Q較小時，工質的相變面會隨著Q的增加逐漸深入到毛細芯內部，導致毛細芯潤濕程度下降，3種角度的Gcc均隨之增加。而當加熱功率進一步增大，0°和-90°的毛細芯中工質分布基本趨于穩定，熱泄漏隨Q的變化較小。但對于90°的LHP，加熱功率的增加使其蒸汽管路中滯留的液體減少，工質回流加快，毛細芯再一次被較好地潤濕；同時，熱量可以快速經由工質攜帶至冷凝器中釋放，從而熱泄漏呈現出下降的趨勢。另外，由上述分析，并綜合圖6中隨著加熱功率的增加，90°的LHP Tc逐漸低于0°的LHP的現象，可以發現熱泄漏的降低有助于提高環路熱管傳熱性能。

圖10表明當θ=-90°時，冷卻方式對熱泄漏的影響。可以發現，冰冷方式的熱泄漏始終高于風冷方式。其原因在于，較強的冷凝作用導致回流液體的過冷度過高，蒸發腔和補償腔之間的溫度差（TV-Tcc）過大，由式(3)可知，熱泄漏隨之增加。因此，提高冷凝強度會導致熱泄漏的增加。

3.5 均溫性

圖10 θ=-90°時冷卻方式對熱泄漏的影響 Fig.10 Effects of cooling condition on heat leak at θ=-90°

圖11 均溫性系數β隨加熱功率的變化 Fig.11 β variation with heating power

蒸發腔壁面的均溫性對于LHP的應用具有實際意義，較差的均溫性可能會影響發熱器件的安全 使用。圖11表明蒸發腔壁面均溫性系數β隨加熱功率Q的變化。可以發現，隨著Q的增加，β逐漸增大，即蒸發腔壁面溫度的均勻性逐漸變差。此外，在相同角度下，冰冷方式的β小于風冷方式。這可能是由于冰冷方式的傳熱性能較好，蒸發腔內部的氣體積存少，液體均勻地分布在相變區域，因此其蒸發吸熱較為均勻，從而使得冰冷方式的均溫性好于風冷方式。

通過對比不同角度的LHP的β，可以發現-90°的LHP均溫性最好，0°次之，90°的均溫性較差。其原因可能是由于毛細芯中的兩相分布狀況對其熱導影響較大，當蒸發腔與冷凝器的相對高度改變時，由于重力的作用，液體在毛細芯中存儲的不均勻性會隨著放置角度θ的增加而增大，使得90°的LHP的均溫性差于其他兩種角度。

4 結 論

本文設計了一種多尺度復合毛細芯環路熱管，并在不同的加熱功率、放置角度和冷卻方式的條件下對其進行了傳熱性能的測試，主要結論如下：

（1）設計了一種多尺度復合毛細芯環路熱管，有效解決了在蒸發腔不同區域對于毛細芯孔徑尺度和熱導率的不同需求，具有較好的傳熱性能，在200 W加熱功率下（q為40 W·cm-2），蒸發腔壁面中心溫度Tc最低僅為64℃。

（2）與風冷方式相比，冰冷方式更能強化LHP的傳熱性能，降低Tc和熱阻，熱阻最低為0.19 K·W-1，同時冰冷方式也有利于均溫性的改善。

（3）當加熱功率Q較小時，放置角度為0°的LHP Tc和熱阻最低；隨著Q的增加，90°的LHP Tc和熱阻成為最低值。

（4）多尺度復合毛細芯的應用有效降低了熱泄漏。隨著Q的增加，放置角度不同的LHP熱泄漏變化趨勢不同。

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