高性能柔性環路熱管設計與熱特性分析

徐光明，邵博，李南茜，趙晨陽，鄭宿正，陸燕

（1 中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；2 中國科學院大學，北京 100049）

日益嚴重的能源危機和環境污染問題推動了新能源新技術的革新，使得高效冷卻、強化傳熱傳質等有效熱管理技術在面臨重大挑戰的同時也帶來了行業新的發展機遇。環路熱管（loop heat pipe,LHP）發軔于20 世紀70 年代初的蘇聯，是一種由傳統熱管改進而來，通過多孔介質中毛細管力驅動流體循環、利用蒸發/冷凝相變潛熱傳遞熱量的被動高效傳熱裝置。LHP 與傳統熱管的區別在于毛細結構僅存在于蒸發器中，且氣液管線分離，大大降低了流動阻力。因此，和傳統熱管相比，LHP具有遠距離傳熱能力強、可逆重力運行以及結構靈活等優點，能夠適應愈加復雜的熱管理環境。迄今為止，LHP已經憑借著性能優勢和高可靠性在空間熱控技術領域得到廣泛認可。

目前，研究人員正致力于將LHP 的應用推廣至更高功率水平和復雜集成性的航天和地面工業，如面向深空探測等宇航任務的不同溫區LHP，也有用于解決現代電子冷卻方案的平板式、小微型、多蒸發器等新結構LHP。近年來，基于LHP的柔性傳熱部件成為新的發展趨勢，其實現方式主要包括利用金屬本身的延展性通過小截面的細長管路、金屬波紋管、局部螺旋盤繞狀和有機聚合物式軟管等形式實現彎曲變形的功能。然而，小直徑的管線配合螺旋盤繞形式才能夠提供較高的柔度和較大形變，帶來的后果是大大增加了管線長度和流動阻力而有效傳輸距離卻難以提高。金屬波紋管的粗糙表面會導致流阻增大，也會因受到形變的限制而應用受限。聚合物型的管路解決了變形小的問題但也存在承壓能力較弱、封裝強度較低的問題。因此，仍需探索具有更低阻力和更高柔性的材料作為柔性LHP管路。

與此同時，LHP的性能表現一直是研究人員及應用市場關心的核心問題。國內外學者從啟動特性與穩態運行性能入手，研究了各類外界因素（如加熱功率、重力傾角等）、工質選用與充裝量、部件材料結構等的影響，優化各類參數以強化LHP 性能。印度Jasvanth 等設計了鎳芯-氨圓柱形LHP，測試最大熱負荷為600W，工作溫度超過40℃。俄羅斯Maydanik等比較了相同加熱面積下的圓柱形和平板式蒸發器-氨LHP，在0.33m的有效距離最大熱負荷分別為400W 和320W，對應的最小熱阻分別為0.064℃/W和0.067℃/W，但工作溫度均超過了45℃。日本Watanabe等分別設計以不銹鋼和聚四氟乙烯（PTFE）芯制作了平板式蒸發器LHP，以水為工質，能夠在1.01m有效距離內最大傳輸700W 和650W 的熱量，對應熱阻分別為0.073℃/W和0.071℃/W，工作溫度在180℃附近。楊濤等設計了一種氮化硅陶瓷芯平板式LHP，以氨為工質，測試得到的傳熱極限和最小熱阻值分別為400W 和0.018℃/W。Zhang 等設計了一種雙孔鎳芯-氨平板式LHP，能夠在1.6m 的距離傳輸180W 熱量，工作溫度高于60℃。Xiao 等針對多點熱源問題設計了大型鋁制平板式LHP，采用不銹鋼絲網作為毛細芯、丙酮為工質，可在20～140W啟動運行，最小熱阻為0.032℃/W，工作溫度大于80℃。目前LHP技術還存在熱流密度范圍小、傳輸距離較短、工作溫度較高以及制備工藝復雜、成本高等缺點，傳熱性能有待進一步提高。

本文介紹了一種帶方形儲液器的高性能的LHP結構，以PTFE 材料作為蒸發器內毛細芯、氨為工質，并在傳輸管路中耦合了不銹鋼內襯平滑型PTFE 金屬軟管。實驗研究了低功率下的啟動特性和不同加熱功率下的傳熱性能，對環路的壓降進行了分析。結果表明，設計的LHP 樣機驅動力遠大于設計工況的沿程壓降，能夠實現大功率遠距離柔性傳熱，可以為今后更合理的大型LHP 設計與應用提供指導。

1 實驗裝置和方法

1.1 樣機介紹

設計了一套以氨為工質的LHP 樣機，是典型的單蒸發器-冷凝器結構，連接了兩根分別用于液體和蒸汽流動的傳輸管線。主要的殼體材料為鋁，配有帶PTFE 芯的圓柱形蒸發器，儲液器為長方體結構，所有部件之間的連接采用焊接方式。LHP的具體結構如圖1 所示，圖1(b)詳細展示了蒸發器和儲液器的內部結構。低熱導的PTFE 毛細芯通過柱狀面過盈配合減少了蒸發器向儲液器的徑向漏熱。大容積儲液器的設計結合了層式平板型蒸發器的優點，可以增強液相工質向蒸發器補充。毛細芯得到更有效潤濕后，在毛細管力的作用下液體被泵送到芯外表面蒸發，能夠加快啟動響應。在氣液管線中通過增加不銹鋼編織內襯平滑型PTFE 金屬軟管延長了傳輸距離，并提供了額外的柔性，允許LHP在實際應用中布置更為靈活。冷凝器由雙層嵌入鋁質冷板的蛇形無氧銅管制成，各層管路分別作為LHP組件和接入冷卻水，一體化的設計能夠增強換熱效率從而有助于提高LHP的傳熱極限。需要注意的是，盡管目前沒有充分證據表明無氧銅和氨工質之間化學不相容，未來還是將采用鋁管替代的優化設計以提高系統長期運行的可靠性。表1中給出了實驗樣機的詳細參數，其中毛細芯的孔徑和孔隙率分別由掃描電子顯微鏡和壓汞儀測得。

圖1 實驗LHP的基本結構

表1 實驗LHP主要部件的幾何材料參數表

在本設計中，采用鋼絲增強的內襯PTFE 金屬軟管，工質流經聚合物光滑內表面流動阻力小，并且具有吸收振動、耐彎曲疲勞等優勢。在樣機裝配前對軟管進行了承壓和柔性彎曲測試，向軟管分別充0、1MPa 和2MPa 氮氣封堵后通過拉壓傳感器測試軟管的彎曲應力。經計算，在2MPa 內部壓力下軟管翻轉角度大于90°時彎矩小于1N·m。

1.2 實驗方法與條件

LHP實驗測試系統如圖2所示，由充裝完成的樣機和加熱、測溫與數據采集、冷卻水循環等子系統組成。采用聚酰亞胺薄膜加熱器（200mm×70mm）粘貼在蒸發器外表面以模擬熱負載輸入，調節直流電源電壓控制加熱器的功率。鋁制冷板用作系統熱沉，由恒溫循環水裝置冷卻，控溫精度為±0.5℃。在全部測試過程中，LHP 的所有部件（冷凝器除外）均用隔熱材料包裹以最大限度減少環境的對流換熱影響。

用聚酰亞胺膠帶將12 個精度為±0.15℃的鉑電阻（SMD 型PT1000）緊固在LHP 系統主要特征位置表面，以監測環路沿線的溫度分布。與計算機相連的Keithley-2700數據采集單元以20s的時間間隔采集測試數據。測溫點的位置如圖1(a)和圖2所示，其中T1、T2 分別位于儲液器側面上下端；T3、T4位于蒸發器上表面且不與加熱片接觸，軸向間距50mm；其他各點粘貼在金屬管外壁面。由于殼體及管線的壁厚最大不超過3mm，且所用金屬導熱性非常好，因此所測壁溫可近似看作內部工質的溫度。在表2所示的實驗工況下，測試分析了LHP的啟動和穩定運行特性。

圖2 實驗系統示意圖

表2 LHP-2啟動及逐步加熱的實驗工況

1.3 數據處理與不確定度分析

工作溫度和系統熱阻用于評估LHP 的傳熱性能。一般而言，環路熱管的工作溫度可以定義為蒸汽槽道溫度、蒸發器溫度和儲液器溫度。考慮到在散熱應用中設計要求通常涉及最大允許溫度，使用蒸發器溫度作為工作溫度更具意義。系統熱阻用式(1)計算。

式中，是平均了冷凝器入口溫度、冷凝器中間溫度和冷凝器出口溫度計算得出的冷凝器溫度，如式(2)所示。圖1(a)中的測溫點的均值、、和分別對應于上述等式中的、、和。為在蒸發器上施加的熱負荷，通過式(3)電流和電壓的關系式計算出。

加熱功率和熱阻屬于間接測量參數，其不確定度可以表示為式(4)和式(5)，主要來源于溫度、電流和電壓等直接測量參數。

式中，電流表和電壓表的精度等級=0.5%。當熱負荷為700W 時，電壓表的讀數為=84.5V，電壓表的量程為′=100V。電流表的讀數為=8.29A，電流表的量程為′=10A。式(5)中Δ和Δ參考鉑電阻的精度。(Δ-Δ)是實驗期間蒸發器和冷凝器之間的最小溫差。

計算加熱功率和系統熱阻的不確定度分別為0.84%和4.3%。

2 結果與討論

2.1 變加熱功率下環路熱管的運行過程

2.1.1 啟動及變功率瞬態溫度分布

LHP的瞬態啟動過程始終是運行中最復雜的現象之一，伴隨著工質汽/液運動和兩相的重新分布，涉及流體蒸發、沸騰、對流和冷凝等多種傳熱問題。未對LHP 進行其他預處理，將樣機置于水平地面保持水平姿態，隨后打開冷卻水循環裝置，等待所有位置點溫度穩定后開始加熱啟動。圖3給出了熱沉為20℃、輸入功率為50W工況的啟動過程。在施加熱負載后，蒸發器、氣體管線和冷凝器進口的測溫點迅速響應，熱流沿蒸汽管線向冷凝器快速移動。同時，液體管線上的測溫點溫度降低表明過冷的液相工質向儲液器流動。當各點溫度分布的波動可以忽略趨于穩定時，即LHP 建立了新的平衡狀態實現了在這樣的功率水平下穩定的運行模式。圖3表明設計的LHP能夠在50W較低的加熱功率下在400s 內啟動且最大溫升小于3.5K，沒有溫度過沖現象，顯示出了非常平穩的啟動特性。

圖3 LHP低功率啟動各點溫度曲線

隨著啟動完成，判定當LHP 系統的工作溫度在連續五分鐘內波動小于0.5K 時，系統達到穩定運行狀態。隨后進行加熱功率增量測試以驗證其可靠性和對熱負載變化的瞬態響應，在較高功率延長了穩定運行時間以避免溫度震蕩等異常現象突然發生。圖4記錄了LHP的所有部件特征位置在不同加熱功率下隨時間變化的連續溫度曲線。從圖中發現沿冷凝器入口向出口的中間段，測溫點在200W、600W 和700W 時出現了不同程度的溫度震蕩，而系統工作溫度沒有明顯的波動。參考冷凝流型可視化的相關研究，分析認為測溫點11、測溫點12 的溫升過程代表的是不同加熱功率下氣液界面在冷凝器內部的移動，其中的溫度震蕩點源于蒸汽前端的間歇性流動。受限于薄膜加熱器的額定電流，當功率增加至800W時，薄膜加熱器燒毀失效斷路，加熱功率驟降為0W，溫度分布如圖5所示。可以觀察到此時LHP 除儲液器和液體管線溫度隨時間無明顯變化外，其他部件溫度均迅速降低，說明無熱負載后液相工質能夠從儲液器回流至冷凝器，LHP立即停機，表現出熱二極管的特性。實驗結果表明，該LHP 在加熱器從50W、100W 等直到700W 的功率切換時能夠快速響應并建立穩定的溫度工作狀態，具有良好的傳熱性能。

圖4 LHP變加熱功率切換溫度分布

圖5 800W加熱器失效后LHP停止運行溫度分布

2.1.2 不同加熱功率下的穩態性能

系統熱阻表示了蒸發器吸收熱量并通過冷凝器散熱的能力，能夠用來表征LHP 內傳熱過程的強度。傳熱過程越強即傳熱性能越好，熱阻越小。圖6 統計了LHP 在不同功率下的工作溫度和系統熱阻。根據系統總熱導的變化規律（熱導為熱阻的倒數），LHP 穩定運行過程一般存在可變熱導和固定熱導兩種工作模式。低功率下，冷凝器僅部分用于蒸汽冷凝，LHP 工作在可變熱導區。如圖6 所示，在50～400W 區域內，隨著熱負荷增大，冷凝器逐漸被激活，兩相區長度增加，冷凝器內液相工質被壓向儲液器內，系統總熱導逐漸增加，熱阻減小。當功率增加到超過400W時，冷凝器被最大化利用，冷凝器和儲液器之間的液相工質不再重新分配。此時，LHP工作溫度由冷凝器內的相變溫度決定，隨熱負荷呈線性增加，系統熱阻幾乎保持為恒定值，熱管工作在固定熱導區。一般來說，設計人員希望LHP 工作在固定熱導模式，以減小系統運行熱阻，表現出最佳性能。

圖6 不同加熱功率下LHP穩態工作溫度和系統熱阻

在所測試的實驗結果中，最大傳熱量為700W，此時LHP 的工作溫度為307.2K，根據式(1)計算得到熱阻為0.01K/W。結合圖5，在700～800W的加熱功率切換過程中，系統仍平穩運行，各點溫度沒有明顯的發散趨勢。因此，可以認為本文的LHP傳熱極限大于最高的實驗值。LHP的性能表現是毛細芯的材料結構、工質選用以及宏觀尺寸設計等多因素耦合的結果。如表3所示，列舉了2017—2021 年國內外幾組典型LHP 的設計與測試結果對比。通過比較傳熱量、傳輸距離、工作溫度以及系統熱阻等指標參數，本實驗LHP 的性能在已發表文獻中具有一定優勢。

表3 2017—2021年國內外典型LHP穩態性能統計

2.2 流動分析

為了更好地評估LHP 性能和分析設計的合理性，對不同加熱功率下工質在各部件的壓降分布進行了校核計算。LHP的正常運行應該始終滿足毛細驅動力大于沿環路的所有壓降損失，表示為式(6)。

式中，Δ、Δ、Δ、Δ、Δ分別為工質流經毛細芯蒸汽槽道、氣體管線、冷凝器、液體管線和毛細芯內的壓降；Δ為重力壓降；Δ為耦合軟管時管徑突擴、突縮帶來的局部壓降。Δ通常按毛細芯能提供的最大毛細管力Δ來計算，見式(7)。

式中，為工質的表面張力系數；為工質和毛細芯之間的表觀接觸角；為毛細芯的孔半徑。

根據流體力學分析，Δ和Δ可按水平管內單相流壓降計算，見式(8)～式(11)。

式中，、和分別表示管線的長度、等效直徑和橫截面積；、、?、和則分別表示工質的密度、流速、質量流量、潛熱和動力黏度；表示流體沿程阻力系數；下角標i代表gr、vl、u。

過熱蒸汽在冷凝器中發生相變釋放潛熱后以過冷態流出，因而冷凝器內的壓降可分過熱段、兩相段和過冷段。其中過熱段和過冷段按式(8)計算，兩相段采用Friedel分相改進模型的方法，在單相流動壓降的基礎上乘以修正系數，可按式(12)計算。

式中，是質量流含氣率；和分別是重力加速度和質量流速；是基于流量密度的全液相Froude 數；是基于流量密度的全液相Weber數。

設變截面之前的截面積為，對應的速度為，變截面之后的截面積為，對應的速度為，以變截面之后的流動參數為準，Δ按式(13)計算。

工質在毛細芯內的壓降根據達西定律按式(15)計算。

式中，、、和分別表示毛細芯的等效厚度、滲透率、孔直徑和孔隙率。

由于蒸發器和冷凝器的相對位置不同，一般LHP在重力場中測試時，重力壓降按式(16)計算。

式中，Δ為重力場中從冷凝器到蒸發器的高度差，冷凝器在蒸發器上方為正，反之為負。

實驗在水平姿態下完成，不存在高度差，即重力壓降為0。經計算各部件壓降分布如圖7 所示，具體數值在表4中給出。結果表明，設計的LHP能夠提供覆蓋沿環路損失的毛細管力，即使在700W時，剩余壓降仍是充裕的，輔證了傳熱極限能夠達到更高或可以在一定高度的反重力方向運行。此外，氣體管線和毛細芯內的流動阻力是環路的主要壓力損失，但相對于毛細管力仍然較小。盡管金屬軟管段的單位長度壓降與其他傳輸管段相比較大，仍未對系統壓降造成不可忽視的損失。并且，由于軟管內壁光滑加之局部壓降很小，參考相關實驗研究結合計算過程分析后認為阻力的增加來源于工藝選型上管徑較小的原因。相比較其能夠提供的柔度，這樣的壓降損失是可以接受的。

圖7 不同加熱功率下LHP各部件的壓降分布

表4 不同加熱功率LHP各部件詳細壓降計算

3 結論

本文設計制作了一種高性能的大尺寸柔性環路熱管，首次在LHP 氣液管線中耦合了不銹鋼編織內襯平滑型PTFE 金屬軟管，能夠更靈活集成用于常溫區大功率遠距離熱管理。實驗研究了其低功率啟動特性和不同加熱功率下的傳熱性能，分析了穩態運行時LHP內壓降分布，主要結論如下。

（1）實驗的LHP 具有優異的傳熱特性。在低功率啟動和加熱功率遞增測試過程中表現出了良好的瞬態響應和穩態性能。以50W 較低功率能夠在400s 內迅速平穩啟動，溫升小于3.5K。測試的最大傳熱量大于700W，熱阻僅為0.01K/W。在未來航空和現代電子冷卻領域具有廣闊的應用前景。

（2）對LHP 進行流動分析，計算比較了各部件主要壓降。在設計的LHP 結構中，PTFE 毛細芯能夠提供充裕的毛細管力。氣體管線是環路的主要壓力損失，采用的金屬軟管對系統的流阻影響相對于其提供的柔性是占優的。對比國內外文獻，所述增加了柔性結構的LHP仍具有傳熱性能優勢。

—— 流通截面積，m

—— 管子直徑，m

—— 孔直徑，m

—— 厚度，m

—— 沿程阻力系數，量綱為1

—— 質量流速，kg/(m·s)

—— 重力加速度，m/s

—— 滲透率，m

?—— 質量流量，kg/s

—— 加熱功率，W

—— 熱阻，K/W

—— 半徑，m

—— 溫度，K

—— 速度，m/s

—— 質量流含氣率，%

—— 孔隙率，%

—— 接觸角，（°）

—— 動力黏度，Pa·s

—— 局部阻力系數，量綱為1

—— 密度，kg/m

—— 表面張力系數，N/m

c_im—— 冷凝器中部

c_in—— 冷凝器進口

c_out—— 冷凝器出口

e—— 蒸發器

l—— 液體

lO—— 全液相

sys—— 環路熱管系統

v—— 氣體

vO—— 全氣相

w—— 毛細芯