一種新型結構的脈動熱管啟動特性實驗研究

摘" 要：脈動熱管作為一種結構簡單且具有高效傳熱特性的新型傳熱元件，其傳熱性能主要受到結構幾何參數、填充工質的特性和工況、運行工況等因素影響。其獨特結構和傳熱特性有望應用于新能源汽車電池散熱及微電子元器件封裝散熱。文章實驗研究內徑2mm銅管，充液率40%的混合制冷劑R410a新型結構脈動熱管蒸發段冷凝段在不同溫差下熱管啟動特性。結果表明：該結構熱管在壓力1.1MP初始溫度10℃下，冷熱段溫差4℃比2℃啟動時間提前5s，啟動溫度提高0.5℃。

關鍵詞：異型結構;脈動熱管;低溫混合制冷劑R410a;傳熱特性

中圖分類號：TK124" " " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0030-04

Abstract： As a new type of heat transfer element with simple structure and high heat transfer efficiency， the heat transfer performance of pulsating heat pipe is mainly affected by the geometric parameters of the structure， the characteristics and working conditions of the working medium， and the operating conditions. Its unique structure and heat transfer characteristics are expected to be used in new energy vehicle battery cooling and microelectronic component packaging cooling. In this paper， the start-up characteristics of R410a pulsating heat pipe with inner diameter of 2mm copper tube and liquid filling rate of 40% under different temperature difference were studied. The results show that when the pressure is 1.1MP and the initial temperature is 10℃， the start-up time is 5 seconds earlier and the start-up temperature is 0.5℃ higher than that at 2℃.

Keywords： irregular structure; pulsating heat pipe; low temperature mixed refrigerant R410a; heat transfer characteristics

脈動熱管是由日本學者Akachi[1]提出的一種高效傳熱設備，具有結構簡單、體積小、成本低、傳熱能力高等特點，近年來得到了眾多國內外科研工作者和機構的廣泛關注和研究。通過實驗研究對脈動熱管特性主要包括啟動性能、傳熱性能、傳熱極限等。結構幾何參數、填充工質的特性和工況、運行工況[2]等參數會影響以上性能。

隨著新能源電動汽車的崛起，各類型新型電池作為其動力的主要來源直接影響行駛里程，對電動汽車電池熱管理提出了更嚴苛的要求[3]。電池在工作時內部存在多種反應熱及外界環境溫度變化，會造成電池在非正常溫度環境下工作。往往導致電池組性能下降，壽命縮短，溫度變化較大甚至會引發可燃性危險。隨著微電子封裝技術和集成技術的發展，電子元器件和電子設備的尺寸逐漸趨于小微型化，所產生的熱量會迅速累積，導致集成電子與元器件周圍的熱流密度增加，該溫度將會影響到電子元器件和設備的性能，其對散熱的需求更加提高[4]。脈動熱管這種新型高效的傳熱元件就成為解決這一問題的高效方案之一。

工質的特性直接影響著脈動熱管的啟動性能，啟動所需時間的長短、啟動所需的輸入功率和達到準穩態振蕩的溫度為基本指標[5]。啟動所需時間越短、啟動所需的最低熱流量越少、啟動完成時的溫度越低，啟動性能越好。當脈動熱管的溫度曲線由不斷上升轉變為持續振蕩狀態時，標志著啟動完成[6]。史維秀等[7]研究了以體積分數50%的無水乙醇水溶液在不同加熱功率及熱管傾角下最低加熱段啟動溫度趨于60℃以上。王迅等[8]以甲醇、丙酮，以及二者體積比1∶1混合組成的甲醇/丙酮混合液為工質，對脈動熱管在不同加熱功率和充液率下的啟動特性進行了實驗研究，各工況下的啟動溫度均在30℃以上。李雪嬌等[9]對低沸點工質（丙酮、R141b與R600a）板式脈動熱管傳熱特性研究，各工況下的啟動溫度均在20℃以上。張田田等[10]研究了不同充液率下配置溶度為0.01wt%-0.1wt%的氧化石墨烯溶液脈動熱管的啟動特性，該實驗表明低濃度氧化石墨烯溶液能夠改善熱管啟動性能，但最低啟動溫度仍在40℃以上。

綜上所述，脈動熱管填充工質的特性直接影響著脈動熱管的啟動性能。R410a[11]作為一種非共沸混合制冷劑相比其他一些工質其具有低沸點易揮發的特性，可以在更低溫度下實現脈動熱管的啟動，并且由于不含氯元素不會與大氣層反應破壞臭氧層，也更加環保。作為傳統制冷劑R22的代替工質R410a具有更好的流動性和傳熱性，這些特性均適合作為脈動熱管的工質。

1 實驗裝置

本實驗系統主要由脈動熱管主體、數據采集系統、加熱冷卻系統組成。實驗脈動熱管由內徑為2mm[7]的銅管彎曲制成，由水平和豎直兩個平面構成脈動熱管組成，同一平面的管間距為13mm，各平面環路數均為4，其他尺寸參數見圖1。數據采集裝置采用Fluke2638a采集熱管上各測溫點瞬時溫度，數據采集儀時間間隔設置為1s。在熱管的加熱段、絕熱段、冷卻段各布置4個精度為±0.1℃的T型熱電偶，編號分別為A1-A4，B1-B4，C1-C4。熱電偶測點分布如圖1（b）和（c）所示。通過抽真空將R410a填充到脈動熱管中，充液率為40%，填充后管內壓力通過真空壓力表讀數為1.1MP。R410a的物性表如表1所示，在8℃-14℃其飽和液體壓力為1.025MP-1.223MP，飽和氣體壓力為1.022MP-1.219MP。由于蒸發段和冷卻段溫度要求，本實驗加熱冷卻系統采用兩套相同的半導體制冷片裝置，該裝置主要由芯片型號TEC1-12706的半導體制冷片（40*40*3.8mm）、半導體制冷片水冷系統、調節精度設置為±0.1℃的XTWH-W1209數顯溫控器、尺寸為40*40*10mm的均熱鋁塊組成，為減少誤差保證半導體制冷片在加熱段和冷凝段溫度均勻，在半導體制冷片與熱管加熱段與冷卻段中間加裝鋁制均熱塊，并在熱管與均熱塊之間涂上導熱硅脂，絕熱段采用保溫材料進行保溫。

實驗前，根據表1的R410a物性表通過數顯溫控器調節所需溫度對加熱段和冷卻段的半導體制冷片進行控制來制冷，達到實驗前初始溫度（該過程從室溫23.5℃左右開始，持續約一分半的時間可以達到10℃）。本實驗采取兩種調溫方式研究R410a脈動熱管的傳熱特性。方式一，設置加熱段冷凝段初始溫度為10℃，待溫度穩定后通過調節加熱段半導體制冷系統溫度為12℃，冷卻段溫度維持10℃，在升溫過程中加熱段與冷卻段形成溫差使得該壓力下的R410a在管內產生氣液兩相流實現脈動熱管的啟動;方式二，設置同樣初始溫度為10℃待溫度穩定后，同時調節加熱段與冷凝段半導體制冷系統，設置加熱段溫度為12℃，冷卻段溫度為8℃。

2 實驗數據及分析

脈動熱管傳熱以相變傳熱為主，熱管正常運行情況下蒸汽端會產生氣塞，氣塞運行到冷凝端會冷凝發生破裂，當發生相變傳熱同一溫度下工質發生蒸發和冷凝。通過數據采集儀獲取溫度，由于熱管啟動的瞬時性這里采用瞬時溫度，選取A1/C1，A3/C3兩組測溫點進行數據采集分析，設置冷熱段兩組不同溫差進行實驗，研究熱管啟動特性。

2.1 冷熱段溫差？駐T1=2℃熱管啟動特性

方式一：在室溫23.5℃下，啟動冷熱段半導體制冷系統，經過75s后達到預設初始溫度10℃，待溫度穩定后調節冷凝段溫度為12℃，此時加熱段冷凝段溫差為？駐T1=2℃，該方式下的熱管溫度變化如圖2、圖3所示。

綜合圖2和圖3，采用加熱段冷凝段溫差為？駐T1=2℃的方式一時，a-b，e-f時間段內熱管處于能量積累的啟動階段，當溫度達到11.3℃附近蒸發段溫度第一次出現明顯振蕩，最短啟動時間為23s。c-d，g-h時間段內熱管處于穩態振蕩階段同時振幅較小，蒸發段穩態振蕩平均溫度高于啟動溫度。冷卻段在熱管啟動全過程最大溫差？駐T1<1℃，達到穩態后振蕩頻率較快但振幅偏小。

2.2 冷熱段溫差？駐T2=4℃熱管啟動特性

方式二：在實驗裝置恢復到室溫23.5℃后，重新設置蒸發段冷凝段初始溫度為10℃，待溫度穩定后調節冷凝段溫度為14℃，加熱段冷凝段溫差？駐T2=4℃，該方式下的熱管溫溫度變化如圖4、圖5。

綜合圖4和圖5，當采用加熱段冷凝段溫差為？駐T2=4℃的方式二時，1-2，5-6時間段熱管同樣處于能量積累的啟動階段，當溫度達到11.6℃附近蒸發段溫度第一次出現明顯振蕩，最短啟動時間為18s。3-4，7-8時間段內熱管處于穩態振蕩階段但振幅較大，穩態振蕩平均溫度低于啟動溫度。冷卻段在熱管啟動全過程最大溫差？駐T2<1.7℃，達到穩態后振蕩頻率較慢但振幅偏大。

對比兩種溫差下脈動熱管啟動性能分析，該種新型結構脈動熱管可以在12℃以下啟動，當冷卻段半導體制冷系統溫度設置為8℃，此時R410a的飽和氣體壓力為1.022MP，加劇了來自加熱段的氣塞破裂速度，使得熱管的啟動時間較冷卻段半導體制冷系統溫度設置為10℃提前5s。熱管達到穩態后冷熱段溫差？駐T1=2℃較？駐T2=4℃具有更好的穩定性。

3 結論

本實驗以混合制冷劑R410a為工質，管內壓力為1.1MP下的一種新型結構對脈動熱管在不同蒸發段冷卻段溫差的熱管啟動特性進行研究，通過分析比較不同溫差下熱管啟動過程的溫度變化曲線，得到如下結論。

（1）R410a低沸點易揮發且具有很好的流動性特性適合作為脈動熱管的工質，以40%填充率的R410a為工質的新型結構脈動熱管的啟動溫度均低于12℃，對比甲醇、丙酮、R141b、R600等工質其具有更優秀的熱管啟動性能，且R410a不會破壞臭氧層，也更加環保。

（2）通過調節半導體制冷系統更改蒸發段與冷凝段溫差會對R410a脈動熱管的啟動特性產生影響，縮小冷熱段溫差會小幅降低啟動溫度但啟動時間有所增加。

（3）該種新型結構脈動熱管增大冷熱段溫差會使傳熱達到穩態后的溫度變化幅度變大，可以通過縮小冷熱段溫差使穩態后溫度波動更加平穩，能夠更好滿足微電子元件和新能源汽車電池對穩定熱流密度的要求。

參考文獻：

[1]Akachi H. Pulsating heat pipes[C]//5th International Heat Pipe Symposium，Melbourne，Australia，1996.

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