氨工質(zhì)平板式環(huán)路熱管的傳熱性能研究

張 浩，張子康，劉志春，劉 偉

(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

環(huán)路熱管(Loop Heat Pipe, LHP)是一種高效、可靠的被動(dòng)傳熱裝置，它被廣泛應(yīng)用于航天器熱控和電子器件散熱的領(lǐng)域中[1-2]。環(huán)路熱管由蒸發(fā)器、氣體管路、冷凝器和液體管路組成,工作介質(zhì)在回路中蒸發(fā)、冷凝、循環(huán)流動(dòng)，將熱量持續(xù)從熱源輸送到熱沉，工質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自于蒸發(fā)器內(nèi)多孔介質(zhì)(毛細(xì)芯)的毛細(xì)抽吸力。與傳統(tǒng)熱管相比，LHP 的氣相與液相管路分離，布置更加靈活，熱輸運(yùn)距離更遠(yuǎn)，而且反重力運(yùn)行能力更強(qiáng)[3]。自從環(huán)路熱管被發(fā)明以來(lái)，大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證被投入到LHP的研究中，其運(yùn)行特性、工作條件、傳熱性能、應(yīng)用拓展等方面得到了廣泛關(guān)注[4-7]。

蒸發(fā)器是環(huán)路熱管最重要的組成部分，主要有圓柱型和平板型兩種[8]。因?yàn)殡娮釉骷纳岜砻娲蠖酁槠矫妫云桨逍驼舭l(fā)器與電子元件能更好裝配，不用像圓柱型蒸發(fā)器一樣增加額外的傳熱鞍座而增加了重量和接觸熱阻[9]。然而圓柱型蒸發(fā)器的毛細(xì)芯表面積更大，工作中能產(chǎn)生更大的相變驅(qū)動(dòng)力，所以通常其熱輸運(yùn)距離比平板型蒸發(fā)器更遠(yuǎn)。Nakamura等人[10]制作了傳熱距離為10 m的圓柱型蒸發(fā)器LHP系統(tǒng)，在水平方向運(yùn)行時(shí)最大熱負(fù)荷達(dá)到340 W；Maydanik等人[11]設(shè)計(jì)的氨工質(zhì)圓柱型蒸發(fā)器LHP更是實(shí)現(xiàn)了21 m的熱傳輸，最大熱流密度為12 W/cm2。相比于上述研究，平板型蒸發(fā)器環(huán)路熱管的熱流密度傳輸極限能做到更高，但同時(shí)傳熱距離一般不超過(guò)1 m[12-16]。Maydanik等人[12]設(shè)計(jì)了直徑40 mm的平板圓盤式蒸發(fā)器，以氨為工質(zhì)制作了傳熱距離330 mm的LHP系統(tǒng)，在加熱面溫度低于80 ℃的情況下傳熱能力達(dá)到23.9 W/cm2；李驥等人[13]將多孔毛細(xì)芯直接燒結(jié)在加熱蓋板上并制作了平板矩形蒸發(fā)器環(huán)路熱管，在重力輔助運(yùn)行條件下傳熱極限達(dá)到72 W/cm2，傳熱距離為120 mm；Adoni等人[14]對(duì)一套氨工質(zhì)平板圓盤式蒸發(fā)器環(huán)路熱管進(jìn)行了測(cè)試，其中蒸發(fā)器直徑達(dá)到了102 mm，傳熱距離為1.76 m，最大熱負(fù)荷為300 W(4.5 W/cm2)。

隨著集成電路的發(fā)展，電子器件的尺寸越來(lái)越小，熱流密度越來(lái)越高，平板式蒸發(fā)器有著廣闊的前景，然而其有限的傳熱距離限制了它在某些場(chǎng)景的應(yīng)用，比如在航空航天領(lǐng)域，熱沉通常都安裝在機(jī)體外部，而發(fā)熱元件一般位于殼體深處，中間距離較長(zhǎng)。為了兼顧更高的傳熱極限和更遠(yuǎn)的傳熱距離，本文設(shè)計(jì)制造了一個(gè)傳熱距離為1.6 m的平板圓盤式蒸發(fā)器LHP，以氨作為工質(zhì)，在不同的熱沉溫度下對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，檢驗(yàn)了該環(huán)路的啟動(dòng)、變工況性能，并分析了其工作特性和熱阻等表現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 環(huán)路熱管設(shè)計(jì)

圖1展示了蒸發(fā)器的旋轉(zhuǎn)剖面示意圖。蒸發(fā)器由殼體和蓋板通過(guò)激光焊接組成;補(bǔ)償腔入口與蒸汽腔出口在殼體上，兩者成90°布置；殼體背面加工出肋片用來(lái)加強(qiáng)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；蓋板上加工出矩形截面的蒸汽槽道，毛細(xì)芯在一個(gè)彈簧的壓力下與蓋板緊密接觸;雙孔徑毛細(xì)芯由粒徑2.8 μm的鎳粉燒結(jié)而成，同時(shí)添加200～300目的碳酸鈉粉末作為造孔劑來(lái)形成大孔;冷凝器采用套管式,氣體和液體管路均使用不銹鋼圓光管；系統(tǒng)工質(zhì)選擇純度為99.995%的氨，在充灌工質(zhì)之前，LHP內(nèi)部的壓力被抽到3.0 × 10-4Pa，系統(tǒng)充灌率是68.2%。表1給出了LHP的具體參數(shù)。

圖1 蒸發(fā)器剖面示意圖

表1 環(huán)路熱管的主要參數(shù)

1.2 測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)中，模擬熱源是一塊紫銅圓柱體，直徑為46 mm，圓柱內(nèi)部插入有四支電阻發(fā)熱棒；熱源與蒸發(fā)器之間涂抹一層薄薄的高導(dǎo)熱硅脂，由夾具固定在一起；熱負(fù)荷由一臺(tái)精度為0.5%的功率計(jì)測(cè)量，溫度由T型熱電偶測(cè)量，誤差為±0.5 ℃；冷媒由一臺(tái)制冷機(jī)組提供，介質(zhì)是乙二醇與水的混合物，溫度選擇-10 ℃、0 ℃、10 ℃三個(gè)層次。測(cè)試過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)都包裹上一層厚厚的保溫材料，蒸發(fā)器和冷凝器處在同一水平高度下，環(huán)境溫度維持在24 ℃左右，熱源溫度不超過(guò)70 ℃。測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖和熱電偶布置方案如圖2所示。

圖2 環(huán)路熱管、測(cè)試系統(tǒng)和熱電偶布置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)性能測(cè)試

啟動(dòng)過(guò)程是環(huán)路熱管在應(yīng)用中必須首先經(jīng)歷的階段。一個(gè)快速、穩(wěn)定的啟動(dòng)過(guò)程是評(píng)價(jià)LHP可靠性的重要因素。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以在2.5 W的低熱負(fù)荷下成功啟動(dòng)，最大啟動(dòng)負(fù)荷隨冷凝溫度的不同而變化，所有的啟動(dòng)測(cè)試中均沒(méi)有出現(xiàn)溫度過(guò)沖和溫度波動(dòng)現(xiàn)象。回路啟動(dòng)時(shí)間會(huì)受到環(huán)境溫度、初始?xì)庖悍植肌嶝?fù)荷大小、熱沉溫度等多重因素的影響，在所有測(cè)試中，熱源溫度總能在10 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，而且當(dāng)熱負(fù)荷接近臨界大小時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間會(huì)突然增加，原因是毛細(xì)力不足，回路更難以維持穩(wěn)定流動(dòng)，傳熱平衡所需要的時(shí)間更長(zhǎng)。圖3(a)和(b)表示熱沉溫度為-10 ℃、熱負(fù)荷分別為150 W和80 W時(shí)的啟動(dòng)情況。圖(a)中，施加熱負(fù)荷后，熱源溫度立即上升，此時(shí)蒸發(fā)器中的工質(zhì)液體在毛細(xì)芯表面蒸發(fā)并在蒸汽腔聚集，在壓差作用下迅速通過(guò)氣體管路流入冷凝器，冷凝器入口溫度的突然上升表示氣體側(cè)的啟動(dòng)完成，熱源升溫的速率變緩；過(guò)冷工質(zhì)流出冷凝器后通過(guò)液體管路回流到蒸發(fā)器，由于液體密度大，流速小，所以蒸發(fā)器入口溫度緩慢下降直至不變，熱源溫度也逐漸穩(wěn)定到恒定值，此時(shí)系統(tǒng)成功啟動(dòng)。圖(b)中，啟動(dòng)過(guò)程與上述類似，唯一不同的是蒸發(fā)器入口溫度在初次下降后保持不變，幾分鐘后才開(kāi)始緩慢下降，其它位置的溫度也同時(shí)微微下降。造成這種區(qū)別的原因在于啟動(dòng)之前環(huán)路中氣液分布不同。

圖3 啟動(dòng)過(guò)程，Tsink=-10 ℃，(a)Q=150 W；(b)Q=80 W

在80 W的熱負(fù)荷啟動(dòng)前，系統(tǒng)剛經(jīng)歷過(guò)70 W的啟動(dòng)測(cè)試，此時(shí)大部分工質(zhì)以液相狀態(tài)存在于液體管路中，且溫度較低，施加熱負(fù)荷后，蒸汽進(jìn)入冷凝器占據(jù)液相空間，由于多余液相不可壓縮，所以液體管路末端的液體流入蒸發(fā)器，導(dǎo)致補(bǔ)償腔溫度經(jīng)歷一次突降，隨后剩余的液體緩緩流入蒸發(fā)器，由于整個(gè)液體管路的溫度相同，所以蒸發(fā)器入口溫度保持不變，直至從冷凝器出來(lái)的過(guò)冷液體初次到達(dá)蒸發(fā)器，此后蒸發(fā)器入口溫度才逐漸下降，系統(tǒng)開(kāi)始真正穩(wěn)定運(yùn)行(圖b)。而在150 W的熱負(fù)荷啟動(dòng)前，系統(tǒng)在自然狀態(tài)下放置較長(zhǎng)時(shí)間，與環(huán)境溫度相同的液相工質(zhì)均勻分布在回路各處，不存在液體管路被液相工質(zhì)完全占據(jù)的狀況，冷凝后的液體可以連續(xù)回流入蒸發(fā)器，所以在冷啟動(dòng)過(guò)程中蒸發(fā)器入口溫度沒(méi)有出現(xiàn)突降再恒定的過(guò)程，而是持續(xù)緩慢下降(圖a)。在這兩種情況下，雖然一些位置的溫度經(jīng)歷了不同方式的變化，但在系統(tǒng)穩(wěn)定之后，熱源溫度和蒸發(fā)溫度并不會(huì)受到任何負(fù)面影響。

2.2 變熱負(fù)荷性能測(cè)試

像CPU之類的電子元器件會(huì)經(jīng)常改變運(yùn)行電壓和頻率，其發(fā)熱功率也隨之改變，所以環(huán)路熱管的變負(fù)荷性能也是研究的重點(diǎn)。圖4展示了本系統(tǒng)在規(guī)律變負(fù)荷和隨機(jī)變負(fù)荷下的溫度變化曲線。圖4(a)中，熱負(fù)荷在20 W到180 W之間均勻上升和下降：在上升階段，蒸發(fā)器出口溫度有小幅變化和大幅增加兩個(gè)階段，表明系統(tǒng)分別工作在變熱導(dǎo)率和定熱導(dǎo)率兩種模式；在下降階段，蒸發(fā)器出口溫度持續(xù)減小，與上升階段的表現(xiàn)并不對(duì)稱，系統(tǒng)展現(xiàn)了明顯的溫度滯后現(xiàn)象[17]，原因是下降過(guò)程中補(bǔ)償腔始終維持滿液狀態(tài)，系統(tǒng)沒(méi)有工作模式的轉(zhuǎn)變，相同負(fù)荷下工作溫度相比上升階段達(dá)到更低值。圖4(b)中，熱負(fù)荷的大小隨機(jī)改變，從結(jié)果可以看出，系統(tǒng)能迅速響應(yīng)，工質(zhì)蒸發(fā)溫度和熱源溫度都立即變化并迅速達(dá)到新值，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)溫度波動(dòng)和溫度過(guò)沖，該環(huán)路熱管表現(xiàn)出優(yōu)良的變負(fù)荷可靠性。

圖4 變熱負(fù)荷過(guò)程，Tsink=-10 ℃，(a)規(guī)律變負(fù)荷；(b)隨機(jī)變負(fù)荷

圖5 不同熱沉溫度下的溫度特性曲線，(a)Tsink=10 ℃；(b)Tsink=0 ℃；(c)Tsink=-10 ℃

2.3 運(yùn)行特性

環(huán)路熱管的穩(wěn)態(tài)溫度與熱負(fù)荷的關(guān)系曲線反映了系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)。圖5顯示了不同熱沉溫度下環(huán)路熱管各個(gè)部位的溫度隨熱負(fù)荷的變化情況。在模擬熱源低于70 ℃的條件下，系統(tǒng)傳遞的最大熱負(fù)荷是180 W，相應(yīng)的熱流密度為10.8 W/cm2，此時(shí)熱沉溫度是-10 ℃。提高熱沉溫度會(huì)增加系統(tǒng)整體的溫度水平，所以最高傳熱能力下降。另外，從測(cè)試結(jié)果中能觀察到環(huán)路熱管存在變熱導(dǎo)率和定熱導(dǎo)率兩種不同的工作模式：變熱導(dǎo)率時(shí)，工質(zhì)蒸發(fā)溫度(蒸發(fā)器出口溫度)隨熱負(fù)荷的增加變化很小甚至降低；定熱導(dǎo)率時(shí)，該溫度隨熱負(fù)荷的增加而增加，兩者呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。在變熱導(dǎo)區(qū)，熱負(fù)荷相對(duì)較小，工質(zhì)的質(zhì)量流量不高，在液體管路的流速較小，環(huán)境漏熱使得回流到蒸發(fā)器的工質(zhì)溫度(蒸發(fā)器入口溫度)較高，此時(shí)增大熱負(fù)荷會(huì)使流速增大，環(huán)境漏熱的影響減弱，蒸發(fā)器入口溫度降低，所以蒸發(fā)溫度變化很小；而進(jìn)入定熱導(dǎo)區(qū)之后，工質(zhì)流速更快，環(huán)境漏熱對(duì)液體管路中工質(zhì)的影響基本消除，蒸發(fā)器入口溫度保持不變，此時(shí)熱負(fù)荷的增大就會(huì)使蒸發(fā)溫度明顯增加。對(duì)于不同的熱沉溫度，兩種工作模式的轉(zhuǎn)變熱負(fù)荷也不同，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，熱沉溫度為10 ℃、0 ℃和-10 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)變負(fù)荷分別為60 W、70 W和120 W。

2.4 熱阻分析

一般情況下，熱管的傳熱效率可以用傳熱過(guò)程中的熱阻值來(lái)表征。對(duì)于環(huán)路熱管來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)器熱阻和回路熱阻是最常使用的指標(biāo)。蒸發(fā)器熱阻Revap的定義是

(1)

式中Ths——模擬熱源上布置的兩個(gè)熱電偶的平均溫度；

Tv——工質(zhì)的蒸發(fā)溫度，約等于蒸發(fā)器出口溫度；

Q——蒸發(fā)器上加載的熱負(fù)荷。回路熱阻Rloop的定義是

(2)

式中Tc——工質(zhì)的冷凝溫度，約等于冷凝器進(jìn)出口的平均溫度。

圖6(a)和(b)分別表示了不同熱沉溫度下蒸發(fā)器熱阻Revap和回路熱阻Rloop與熱負(fù)荷Q的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖示中，蒸發(fā)器熱阻和回路熱阻表現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)，即隨著熱負(fù)荷的增加先減小后增大。對(duì)于蒸發(fā)器熱阻來(lái)說(shuō)，在較低熱負(fù)荷時(shí)，工質(zhì)蒸發(fā)量和蒸發(fā)強(qiáng)度隨著熱負(fù)荷增加而增大，所以Revap降低；而熱負(fù)荷進(jìn)一步增大時(shí)，熱源向補(bǔ)償腔的漏熱更嚴(yán)重，此時(shí)蒸發(fā)界面向毛細(xì)芯內(nèi)部移動(dòng)，靠近補(bǔ)償腔的毛細(xì)芯表面和殼體壁面由于局部過(guò)熱而形成氣泡，這些小氣泡生長(zhǎng)或合并，阻礙毛細(xì)芯吸液，降低了毛細(xì)芯的水力特性，進(jìn)而導(dǎo)致Revap升高。對(duì)于回路熱阻來(lái)說(shuō)，冷凝器中的冷凝強(qiáng)度變化與蒸發(fā)器中的蒸發(fā)強(qiáng)度變化共同影響了回路的傳熱狀態(tài)，冷凝強(qiáng)度隨著熱負(fù)荷的增加先增大然后保持不變，而且其改變與蒸發(fā)強(qiáng)度的改變并不同步，所以Rloop發(fā)生變化的轉(zhuǎn)變熱負(fù)荷與Revap發(fā)生變化的轉(zhuǎn)變熱負(fù)荷不相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，除了2.5 W的工況之外，蒸發(fā)器熱阻不超過(guò)0.14 ℃/W，回路熱阻不超過(guò)1.8 ℃/W；蒸發(fā)器熱阻的最小值為0.096 ℃/W，此時(shí)熱負(fù)荷為40 W，熱沉溫度為-10 ℃；回路熱阻的最小值為0.252 ℃/W，此時(shí)熱負(fù)荷為60 W，熱沉溫度為10 ℃。

圖6 不同熱沉溫度下的熱阻曲線:(a)蒸發(fā)器熱阻Revap；(b)回路熱阻Rloop

3 結(jié)論

本文提出了通過(guò)增大蒸發(fā)面積來(lái)提高平板式蒸發(fā)器環(huán)路熱管的驅(qū)動(dòng)力和傳熱距離的方案，并設(shè)計(jì)制造了一個(gè)傳熱距離為1.6 m的氨-不銹鋼平板式蒸發(fā)器環(huán)路熱管，測(cè)試分析了其啟動(dòng)和變負(fù)荷過(guò)程以及運(yùn)行特性和熱阻變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)在熱源溫度低于70 ℃的情況下，該環(huán)路熱管能夠傳遞的最大熱負(fù)荷是180 W(10.8 W/cm2)，此時(shí)熱沉溫度為-10 ℃；在2.5 W的極低熱負(fù)荷下，系統(tǒng)也能順利啟動(dòng)運(yùn)行。

(2)在啟動(dòng)測(cè)試和變工況測(cè)試中，溫度波動(dòng)和溫度過(guò)沖現(xiàn)象均沒(méi)有出現(xiàn)，回路表現(xiàn)出優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性；在不同的熱負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)存在變熱導(dǎo)率和定熱導(dǎo)率兩種工質(zhì)模式。

(3)蒸發(fā)器熱阻和回路總熱阻均隨著熱負(fù)荷的增大而先增后減，蒸發(fā)器熱阻的最小值為0.096 ℃/W，此時(shí)熱沉溫度為-10 ℃；回路熱阻的最小值為0.252 ℃/W，此時(shí)熱沉溫度為10 ℃。