環(huán)路熱管工作特性實(shí)驗(yàn)研究

張亞海

摘 要：該文針對氨-不銹鋼環(huán)路熱管，基于離心機(jī)系統(tǒng)搭建了工作性能實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了地面以及過載條件下不同布置方式、不同加熱功率時(shí)工作性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中觀察到了環(huán)路熱管的各部件溫度隨時(shí)間的變化情況，深入了解了環(huán)路熱管在過載加速度場中運(yùn)行的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：環(huán)路熱管 運(yùn)行特性 過載加速度

中圖分類號：TB131 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（a）-0043-02

環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe）具有傳輸熱量大、傳輸距離遠(yuǎn)、傳熱效率高、反重能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠解決飛機(jī)高熱流密度電子設(shè)備散熱問題。但是飛機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器及其上的電子設(shè)備熱控裝置需要承受來自各個(gè)方向、不同大小加速度載荷，這種過載加速度將導(dǎo)致兩相流體傳熱特性較地面設(shè)備都發(fā)生很大變化。

國際上對于環(huán)路熱管的研究已廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)、電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域[1]。國內(nèi)關(guān)于環(huán)路熱管的研究開始于20世紀(jì)末，到目前為止國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬等大量工作，取得了一定成果[2-3]。但環(huán)路熱管過載加速度場中的運(yùn)行特性研究卻報(bào)道很少。該文通過模擬過載加速度環(huán)境研究環(huán)路熱管的工作性能。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

過載環(huán)境采用離心機(jī)模擬。實(shí)驗(yàn)采用將LHP、冷板散熱器封裝在工裝箱體內(nèi)安裝在離心機(jī)上的方案，而將水冷系統(tǒng)的泵、恒溫水槽、流量計(jì)等放置在地面。過載條件下環(huán)路熱管工作特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：LHP系統(tǒng)、水循環(huán)與冷卻系統(tǒng)、加熱與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)4部分。

1.2 實(shí)驗(yàn)件

實(shí)驗(yàn)用LHP為氨-不銹鋼雙儲(chǔ)液器環(huán)路熱管，其蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。毛細(xì)芯材料為鎳粉，蒸氣、液體管線和冷凝器管線均為不銹鋼圓管，冷凝器為焊接在紫銅板上的蛇形管道。

1.3 布置方式

LHP的布置方式如圖3、圖4所示，圖中箭頭所示方向?yàn)榧铀俣确较颉?/p>

1.4 測溫點(diǎn)布置

熱電偶TC在管路上的測點(diǎn)分布如圖5所示，TC1、TC4布置在儲(chǔ)液器1、2上，TC2、TC3布置在蒸發(fā)器表面，TC5、TC6、TC7布置在液體管線上，TC8、TC9、TC10、TC11布置在蛇形管上。TC12、TC13為蒸氣管線測點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無過載條件下LHP傳熱性能

圖6給出了25 W無過載條件的溫度變化。可以看出，在25 W無過載條件下，LHP啟動(dòng)后，蒸發(fā)器工作溫度不超過33 ℃，儲(chǔ)液器1的溫度高于儲(chǔ)液器2的溫度。

2.2 布置方式1傳熱性能

該布置方式下，旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向與毛細(xì)力方向相反。實(shí)驗(yàn)加熱功率為150 W，過載加速度大小為3 g。LHP傳熱性能測試結(jié)果如圖7所示。可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下LHP在3 250 s時(shí)刻未能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，但是蒸發(fā)器表面溫度最大不超過35 ℃。儲(chǔ)液器1的溫度高于儲(chǔ)液器2的溫度。

2.3 布置方式2傳熱性能

該布置方式下，冷凝器靠近旋轉(zhuǎn)軸，熱管遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸。實(shí)驗(yàn)加熱功率為150 W，過載加速度大小為3 g并維持3 000 s。LHP傳熱性能測試結(jié)果如圖8所示。可以看出，在該布置方式下，熱管未能啟動(dòng)。隨著時(shí)間的增加，蒸發(fā)器、蒸氣管線、儲(chǔ)液器溫度均增大，在整個(gè)過載作用過程中，蒸發(fā)器表面的溫度最大不超過33 ℃。卸載后（離心機(jī)停轉(zhuǎn)），蒸發(fā)器、蒸氣管線、儲(chǔ)液器溫度均迅速增大，在3 600 s時(shí)蒸發(fā)器最高溫度達(dá)到41 ℃。

3 結(jié)語

環(huán)路熱管在過載加速度環(huán)境下的傳熱性能和工作特性與地面上相比有較大不同，實(shí)驗(yàn)研究可看出加熱功率、加速度、大小和方向都會(huì)影響環(huán)路熱管的工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] YF Maydanik.Loop heat pipes[J].Applied Thermal Engineering，2005，25（5-6）：635-657.

[2] J Ku，L Ottenstein，M Kobel，et al.Temperature fluctuations in loop heat pipe operation[J].Aip Conference，2001，552（1）：255-262.

[3] AJ Fleming，SK Thomas，kL Yerkes，et al.Titanium-water loop heat pipe operating characteristics under standard and elevated acceleration fields[J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer，2010，24（1）：184-198.