一種提高低溫環(huán)路熱管主蒸發(fā)器降溫速率的新方法及實驗結(jié)果

楊 帆 董德平

(中國科學院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引言

環(huán)路熱管發(fā)展的一個重要趨勢是低溫化［1］。在低溫環(huán)境中，與傳統(tǒng)的傳熱器件比如紫銅冷鏈相比，低溫環(huán)路熱管(cryogenic loop heat pipe，CLHP)因其具有傳輸距離遠、傳輸冷量大、溫差小等優(yōu)勢，將被用于紅外探測器焦平面與空間機械制冷機之間的冷量傳遞。但是低溫環(huán)路熱管的工質(zhì)在常溫狀態(tài)下一般處于超臨界狀態(tài)(如N2，H2，O2等)或者接近臨界狀態(tài)(如C2H6、C3H6)。當?shù)蜏丨h(huán)路熱管從常溫狀態(tài)下開始降溫時，冷凝器與冷源相連，其溫度會隨著冷源溫度的降低而降低，液態(tài)工質(zhì)最先在冷凝器中出現(xiàn)。在不添加任何驅(qū)動部件的前提下，低溫環(huán)路熱管冷凝器內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)不會自動流向蒸發(fā)器，而蒸發(fā)器與冷凝器之間的液體管線、氣體管線的管殼熱阻很大，因此低溫環(huán)路熱管蒸發(fā)器的降溫速率會非常緩慢，遠小于冷凝器降溫速率，甚至主蒸發(fā)器溫度不會降低并最終導致低溫環(huán)路熱管啟動失敗。因此，需要使用一些驅(qū)動措施來提高低溫環(huán)路熱管主蒸發(fā)器降溫速率，解決低溫環(huán)路熱管從常溫環(huán)境開始降溫時面臨的啟動問題。

2 兩類常用的驅(qū)動方式

為了解決低溫環(huán)路熱管啟動面臨的問題，加快低溫環(huán)路熱管蒸發(fā)器在啟動前的降溫過程，文獻［2］中總結(jié)了3種解決思路:Dual－Loop CLHP(在低溫環(huán)路熱管的冷凝器和蒸發(fā)器之間再并聯(lián)一個常溫環(huán)路熱管，見圖1);Condenser mounted CLHP(將一個次蒸發(fā)器緊貼冷凝器，并且串聯(lián)到低溫環(huán)路熱管的工質(zhì)流動通道中，見圖2);Advanced CLHP(將一個次蒸發(fā)器環(huán)路并聯(lián)到工質(zhì)主環(huán)路的流動通道中，見圖3)。但是在實驗研究中，研究者并沒有完全依照上述的3種思路來設(shè)計低溫環(huán)路熱管，其中Dual－loop CLHP已經(jīng)被研究者放棄，另外兩種思路被研究者進行修改。針對不同的低溫環(huán)路熱管實物，按照低溫環(huán)路熱管中次蒸發(fā)器的布置方式來進行分類，主要為兩種方式:(1)次蒸發(fā)器放置在兩個冷凝器之間，與冷凝器串聯(lián);(2)次蒸發(fā)器與冷凝器并聯(lián)。

圖1 Dual-loop CLHP的模型圖Fig.1 Model of Dual-loop CLHP

圖2 Condenser-mounted CLHP模型圖Fig.2 Model of Condenser-mounted CLHP

圖3 先進回路熱管模型圖Fig.3 Model of advanced CLHP

2.1 串聯(lián)次蒸發(fā)器與冷凝器的驅(qū)動方式

這種驅(qū)動方式的原型是 Condenser－mounted CLHP，但是依據(jù)此方式設(shè)計成功的低溫環(huán)路熱管都被取消了與次蒸發(fā)器相連的液體補償器。其設(shè)計方式和驅(qū)動原理為:次蒸發(fā)器被串聯(lián)進入冷凝器，冷凝器被分為兩部分;次蒸發(fā)器內(nèi)部使用毛細結(jié)構(gòu);次蒸發(fā)器的位置緊鄰冷凝器的一部分(可以參考圖4、圖5)。當冷凝器隨著冷源溫度降低并出現(xiàn)液體時，由于次蒸發(fā)器緊鄰冷凝器，在毛細力的作用下，次蒸發(fā)器內(nèi)部將很快充滿液態(tài)工質(zhì)，加熱次蒸發(fā)器使其內(nèi)部液態(tài)工質(zhì)汽化，升高壓力，驅(qū)使次蒸發(fā)器前部的冷凝器內(nèi)部工質(zhì)流向主蒸發(fā)器，利用液態(tài)工質(zhì)的潛熱帶動主蒸發(fā)器降溫，加速主蒸發(fā)器的降溫過程。

圖5 莫青設(shè)計的低溫環(huán)路熱管模型圖Fig.5 Model of CLHP designed by Mo Qing

美國Thermacore公司Dmitry Khrustalev依據(jù)串聯(lián)次蒸發(fā)器與冷凝器的驅(qū)動方式設(shè)計了使用氧氣作為工質(zhì)的低溫環(huán)路熱管(如圖4)［3］，該低溫環(huán)路熱管有主冷凝器和次冷凝器兩個冷凝器，其中次蒸發(fā)器緊鄰主冷凝器，內(nèi)部填充不銹鋼多孔燒結(jié)材料。使用GM制冷機提供冷源，當冷凝器降低到－200℃之后，對次蒸發(fā)器添加4 W加熱持續(xù)45分鐘，之后提升到6 W并持續(xù)2.5小時，使低溫環(huán)路熱管達到可以啟動的狀態(tài)。

中國科學院理化技術(shù)研究所莫青設(shè)計了一臺液氮溫區(qū)的低溫環(huán)路熱管，她設(shè)計了更為簡單的次蒸發(fā)器［4］，連接到冷凝器內(nèi)部(如圖5)。次蒸發(fā)器為1根內(nèi)部切出軸向槽道的短管，其中槽道用以提供毛細通道。當次蒸發(fā)器內(nèi)部的槽道被液態(tài)工質(zhì)浸潤時，加熱次蒸發(fā)器，推動處于次蒸發(fā)器前方冷凝器內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)流向主蒸發(fā)器，這種設(shè)計新穎的次蒸發(fā)器已經(jīng)被試驗證實能夠起到驅(qū)動主蒸發(fā)器降溫的作用。

2.2 并聯(lián)次蒸發(fā)器與冷凝器的驅(qū)動方式

這種驅(qū)動方式由TTH提出，其設(shè)計方式和驅(qū)動原理為:次蒸發(fā)器內(nèi)部放置多孔燒結(jié)材料，將一個次蒸發(fā)器補償器組件與一次冷凝器串聯(lián)，然后并聯(lián)到環(huán)路熱管的主回路中(參考圖6、圖7)。與次蒸發(fā)器相連的補償器緊鄰次冷凝器。當冷源溫度降低時，補償器內(nèi)部為兩相狀態(tài)，次蒸發(fā)器內(nèi)部被液態(tài)工質(zhì)浸潤。加熱次蒸發(fā)器，液體汽化，合理設(shè)計工質(zhì)在各個管道內(nèi)部流動阻力，使次蒸發(fā)器內(nèi)部氣態(tài)工質(zhì)流向主冷凝器，驅(qū)動主冷凝器內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)流向主蒸發(fā)器，從而促進主蒸發(fā)器降溫。

基于這種驅(qū)動方式，TTH公司在2003年研制成功 H2－ALHP1［5］，將一個由次蒸發(fā)器與次冷凝器組成的次回路并聯(lián)到主環(huán)路的內(nèi)部，為了實現(xiàn)對主蒸發(fā)器溫度的精確控制，TTH使用了與主蒸發(fā)器連接一起的補償器。2005年，對H2－ALHP1進行改進，在氣體管線上安裝了swing volume，研制成功了H2－ALHP2(如圖6)，它能夠?qū)?0 W冷量傳遞2.5 m［6］，并且這種設(shè)計方式的低溫環(huán)路熱管具有精確控制主蒸發(fā)器表面溫度的能力。南京理工大學根據(jù)這種設(shè)計思路研制成功了使用氮為工質(zhì)的低溫環(huán)路熱管［7］，分別測試了對次蒸發(fā)器施加15 W和20 W加熱功率時低溫環(huán)路熱管的降溫過程，其設(shè)計的液氮低溫環(huán)路熱管的最大傳輸能力為15 W。

圖6 TTH公司研制的H2-ALHP2Fig.6 H2-ALHP2 designed by TTH corporation

美國Swales公司James Yun根據(jù)TTH公司的原始模型，取消了與主蒸發(fā)器相連的液體補償器，設(shè)計了一款使用乙烷作為工質(zhì)的低溫環(huán)路熱管(如圖7)，并且在實驗上取得成功［8］。法國 CEA－SBT(Commissariat àl’Energie Atomique－Service des Basses Températures)的P Gully依據(jù)swales公司乙烷低溫環(huán)路熱管的設(shè)計思路，使用并聯(lián)的次蒸發(fā)器作為驅(qū)動措施，研制了使用氮作為工質(zhì)的低溫環(huán)路熱管［9］，該液氮低溫環(huán)路熱管具有優(yōu)異的冷量傳遞能力。

圖7 James Yun設(shè)計的乙烷低溫環(huán)路熱管Fig.7 C2H6-CLHP designed by James Yun

根據(jù)以上的總結(jié)，在低溫環(huán)路熱管中，將次蒸發(fā)器與冷凝器串聯(lián)或者并聯(lián)進入環(huán)路熱管，都已經(jīng)被實驗證明能夠起到促進低溫環(huán)路熱管的啟動、加快低溫環(huán)路熱管的主蒸發(fā)器降溫的目的。

3 一種新的設(shè)計思路

本文中設(shè)計的低溫環(huán)路熱管見圖8、圖9，從串聯(lián)次蒸發(fā)器與冷凝器的思路出發(fā)，使用了一種新的設(shè)計:取消次蒸發(fā)器，重新設(shè)計低溫環(huán)路熱管的冷凝器，將次蒸發(fā)器與冷凝器統(tǒng)一為一個部件。螺紋槽道被加入到冷凝器的設(shè)計中，其作用就相當于次蒸發(fā)器內(nèi)部的毛細結(jié)構(gòu)。當?shù)蜏丨h(huán)路熱管從常溫開始降溫時，冷凝器內(nèi)部出現(xiàn)液態(tài)工質(zhì)，并且浸潤整個螺紋槽道，在冷凝器表面選取合適的位置布置加熱片，加熱冷凝器，使液態(tài)工質(zhì)汽化，從而驅(qū)動流動路徑前方的液態(tài)工質(zhì)流向主蒸發(fā)器，加速主蒸發(fā)器溫度降低。這樣冷凝器兼有次蒸發(fā)器驅(qū)動工質(zhì)流動的作用，次蒸發(fā)器在設(shè)計的低溫環(huán)路熱管中被完全取消。這種設(shè)計的另一個優(yōu)點為:螺紋槽道是一種強化凝結(jié)措施［10］，可以提高冷凝器的凝結(jié)效率，減小冷凝器的尺寸和重量，從而實現(xiàn)低溫環(huán)路熱管的小型化。

圖8 基于新型冷凝器的液氮低溫環(huán)路熱管Fig.8 Nitrogen CLHP using a novel condenser

圖9 冷凝器內(nèi)部細節(jié)模型圖Fig.9 Layout of inner detail of condenser

4 實驗結(jié)果

基于上述的設(shè)計思路，設(shè)計了工作在液氮溫區(qū)的低溫環(huán)路熱管，其主要部件包括:冷凝器組件，補償器、蒸發(fā)器、液體管線、氣體管線與氣庫，使用高純氮(體積分數(shù)99.999%)作為工質(zhì)，實物照片參看圖8所示，表1給出該低溫環(huán)路熱管主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 低溫環(huán)路熱管各部分的參數(shù)Table 1 Parameter of CLHP

使用兩塊冷凝器串聯(lián)到一起以提高冷凝器組件的最大冷卻能力，加熱片被粘貼到靠近氣體管線的冷凝器上。低溫環(huán)路熱管管體部分被放置在φ500×800的真空室，使用液氮作為冷源。為減小系統(tǒng)漏熱對低溫環(huán)路熱管的影響，管體外表面覆蓋多層隔熱材料。整個實驗過程中真空度優(yōu)于10－2Pa。氣庫放置在真空室的外面，并且氣庫與低溫環(huán)路熱管管體之間沒有閥門。因此在整個實驗測試過程中，實驗的工況改變，氣庫與管體之間始終存在工質(zhì)交換。另外考慮到液氮溫區(qū)低溫環(huán)路熱管主要應(yīng)用于空間低溫制冷機的冷量傳遞，這就要求冷凝器添加的加熱功率不宜過大，否則制冷機提供的冷量將主要被驅(qū)動功率所消耗。因此在實驗中，當冷凝器降低到液氮溫度后，只對冷凝器施加1 W加熱功率用于驅(qū)動冷凝器內(nèi)部的液體流向蒸發(fā)器。這些要求都是為了保證低溫環(huán)路熱管的實驗環(huán)境盡可能接近未來的工作環(huán)境。低溫環(huán)路熱管被水平放置，圖10所示為其表面PT100鉑電阻的粘貼位置，P為使用壓力傳感器測量氣庫的壓力變化。

圖11為充裝壓力為4.35 MPa時低溫環(huán)路熱管的降溫曲線，整個降溫過程持續(xù)近5 000 s，冷凝器表面的驅(qū)動加熱功率為1 W。在2 000 s左右，冷凝器降低到液氮溫度，TC4的溫度首先下降，開啟冷凝器加熱功率，之后TC7開始下降，TC4的溫度首先下降然后在繼續(xù)上升，從2 000 s到4 000 s，TC6、TC5、TC4先后迅速降低，加熱片持續(xù)2 000 s;在4 500 s左右，TC4、TC5、TC6、TC7 都穩(wěn)定在 100 K 左右，并持續(xù) 1 500 s。在8 000 s，TC4先迅速降低到液氮溫度，之后TC5、TC6、TC7先后降低到液氮溫度。

圖10 低溫環(huán)路熱管PT100鉑電阻的粘貼位置Fig.10 Model of N2-CLHP with PT100 location

圖11 充裝壓力為4.35 MPa時CLHP的降溫曲線Fig.11 Temperature decreasing curve of CLHP with filling pressure of 5.55 MPa

分析整個降溫過程可以發(fā)現(xiàn)，在整個低溫環(huán)路熱管的溫度降低到低于氮的臨界溫度后(126 K)，穩(wěn)定了一段時間后，TC4的溫度最先降低到液氮溫區(qū)，之后TC5、TC6、TC7先后降低到液氮溫度。說明該低溫環(huán)路熱管部件的特殊設(shè)計糾正了工質(zhì)的流向，使液態(tài)工質(zhì)先進入液體管線，工質(zhì)按照設(shè)計的方向流動。說明低溫環(huán)路熱管的設(shè)計是成功的，設(shè)計的新型冷凝器能夠在加熱的情況下驅(qū)動內(nèi)部的工質(zhì)流向主蒸發(fā)器。而造成降溫初始階段逆流的原因是由于冷凝器表面加熱片布置的位置太靠近氣體管線。

圖12為低溫環(huán)路熱管在充裝壓力為4.35 MPa時完整的工作曲線，由圖可見，當加熱蒸發(fā)器之后，TC5、TC6、TC7的溫度開始上升，但是TC4始終低于TC5、TC6、TC7，表明在工作狀態(tài)下液態(tài)工質(zhì)通過液體管線進入蒸發(fā)器內(nèi)部，工質(zhì)的流動方向與設(shè)計方向一致。盡管整個低溫環(huán)路熱管在啟動前的冷卻過程中存在工質(zhì)逆流的情況，但是由于低溫環(huán)路熱管各個部件的合理設(shè)計，確保了在正常工作的情況下，工質(zhì)按照正確的方向流動。另外，由圖可見，該低溫環(huán)路熱管的最高傳輸能力為6 W。

圖12 充裝壓力為4.35 MPa時低溫環(huán)路熱管的工作曲線Fig.12 Working curve of CLHP with filling pressure of 4.35 MPa

5 結(jié)論

介紹了一種新的加速低溫環(huán)路熱管主蒸發(fā)器降溫速率的驅(qū)動方式:取消次蒸發(fā)器這個部件，重新設(shè)計冷凝器，在冷凝器內(nèi)部使用螺紋槽道使冷凝器具有次蒸發(fā)器的功能。加熱冷凝器，驅(qū)動其內(nèi)部工質(zhì)流向蒸發(fā)器，提高蒸發(fā)器的降溫速率，促進低溫環(huán)路熱管從常溫啟動。基于這種思路，設(shè)計了一臺使用液氮為工質(zhì)的低溫環(huán)路熱管樣機，并且通過實驗證實冷凝器的作用。

通過實驗結(jié)果可以看到，當?shù)蜏丨h(huán)路熱管從常溫環(huán)境中開始降溫時，使用液氮作為冷源，在1 W驅(qū)動功率的作用下，總的降溫時間為8 000 s，蒸發(fā)器和冷凝器達到液氮溫度。

不足之處在于低溫前的冷卻過程中，存在工質(zhì)逆流的情況。但是當溫度降低到氮的臨界溫度以下時，低溫環(huán)路熱管能夠自動糾正流向。

設(shè)計的冷凝器一方面可以保證冷凝器具有次蒸發(fā)器的功能，另一方面，螺紋槽道的引入，提高了冷凝器的凝結(jié)效率，減小了冷凝器的尺寸，這對以后實現(xiàn)低溫環(huán)路熱管的小型化具有巨大的意義。

本設(shè)計方法已經(jīng)申請專利，專利申請?zhí)枮?200910197303.6。

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