平板式環(huán)路熱管性能的實驗

張 先 鋒

（中國電子科技集團第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

研究開發(fā)

平板式環(huán)路熱管性能的實驗

張 先 鋒

（中國電子科技集團第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

針對一款基于并聯(lián)式平板蒸發(fā)器的小型環(huán)路熱管進行了實驗研究，分析了冷凝器位置以及擺放方式對環(huán)路熱管運行性能的影響。實驗表明：該環(huán)路熱管能在低功率（20 W）時各種擺放方式下順利啟動，并具有良好的工作性能，其最大熱負荷達到130 W，此時熱阻為0.21 ℃/W；該熱管水平放置時，蒸汽管線長度越短，啟動性能越好，最大熱負荷越大；運行功率越大，蒸汽管線長度對運行性能的影響越明顯。并聯(lián)式平板環(huán)路熱管具有很好的反重力特性，能夠在各種豎直放置狀態(tài)下正常運行；該環(huán)路熱管豎直放置且儲液器位于蒸發(fā)器下方時，系統(tǒng)的運行性能最好。

環(huán)路熱管；平板式蒸發(fā)器；冷凝器；反重力性能；運行特性

隨著科技的發(fā)展，大功率LED、紅外探測陣列、大功率固體激光器、高性能微處理器等光電/微電子芯片（下文簡稱“芯片”）及其應(yīng)用系統(tǒng)向著微型化及其集成化的趨勢發(fā)展，導致狹小空間內(nèi)產(chǎn)生了較高的熱流密度，因此熱管理成為其發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）作為一種新型高效的兩相傳熱裝置，具有傳熱效率高、傳熱距離遠、結(jié)構(gòu)布置靈活等特點，是解決上述問題的一種有效方案，其是傳統(tǒng)熱管技術(shù)的延伸，利用液體工質(zhì)相變過程來完成熱量傳遞和輸送，在航天器的熱管理和電子設(shè)備散熱等方面已得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，顯現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢和發(fā)展前景[1-4]。

為滿足高集成度、高熱流密度電子設(shè)備的散熱要求，環(huán)路熱管向著微小型化的趨勢發(fā)展，這是當前環(huán)路熱管的重要發(fā)展方向。環(huán)路熱管在微小型化過程中出現(xiàn)了3種結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器，分別為圓柱型、串聯(lián)式平板型和并聯(lián)式平板型。圓柱型蒸發(fā)器是通過縮小大型環(huán)路熱管的尺寸得到的[1]，需要和馬鞍型導熱塊配合才能完成電子設(shè)備的熱控，接觸熱阻較大，傳熱效率低，不便于封裝。為此，研究者們設(shè)計了后兩種平板型蒸發(fā)器，其傳熱效率相對較高，且便于電子裝置的封裝等[3]。它們差別在于儲液器布置方式不同。其中串聯(lián)式平板蒸發(fā)器的儲液器位于蒸發(fā)器的厚度（縱向）方向上[2-6]，其可以有效利用重力作用將液體工質(zhì)回流到毛細芯中，但其厚度（10 mm以上）相對較大，對擺放方式有一定要求，即儲液器不能位于蒸發(fā)芯下方，使用范圍受到限制；而在并聯(lián)式平板蒸發(fā)器中，儲液器位于蒸發(fā)器的橫向方向上，厚度相對較小，一般小于10 mm，更適合狹小空間下的應(yīng)用，且具有很好的反重力特性[7-9]。針對串聯(lián)式平板型環(huán)路，蓋東興[3]、Singh等[4]、莫冬傳等[5]、周海迎[6]開展了系統(tǒng)化的研究，分析了該類型熱管的啟動及運行性能、反重力特性、溫度脈動等問題。由于受到蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的限制，儲液器和蒸發(fā)芯相對位置的影響研究不夠全面。針對并聯(lián)式平板環(huán)路熱管，Wang等[7-8]嘗試將其應(yīng)用到GPU的冷卻，并開展了相應(yīng)的性能研究和理論分析。Becker等[9]研究了環(huán)路熱管的運行特性，僅考察了冷凝器和蒸發(fā)器相對位置固定時反重力的性能，而儲液器和蒸發(fā)芯相對位置的影響也考慮不足。

綜上所述，作為一種新型熱管，并聯(lián)式平板環(huán)路熱管已開展了一定的研究，但對該熱管的結(jié)構(gòu)以及運行特性等研究不足。為此，本文作者針對一款基于并聯(lián)式蒸發(fā)器的小型環(huán)路熱管開展了詳細的實驗研究，通過改變冷凝器位置以及擺放方式，系統(tǒng)地分析該環(huán)路熱管的運行特性和反重力特性。

1 實驗系統(tǒng)簡介

圖1為實驗中所使用環(huán)路熱管的結(jié)構(gòu)示意圖，包括蒸發(fā)器、儲液室、蒸汽管線、液體管線和冷凝器5個主要部分，蒸發(fā)器的截面圖如圖1(b)所示，其中蒸發(fā)器包含有蒸發(fā)芯、蒸汽槽道以及儲液器，儲液器位于蒸發(fā)芯的長度方向上，蒸發(fā)芯是由 120目的銅粉燒結(jié)而成。在蒸發(fā)芯的表面，有12個蒸汽槽道，用于蒸汽的流動。蒸汽和液體管線均為紫銅圓管，外徑和內(nèi)徑分別為3 mm和2.4 mm。使用恒溫水槽來冷卻環(huán)路熱管的冷凝部分，為了研究冷凝

器位置的影響狀況，實驗中冷凝器分別位于兩個位置，如圖 1(a)所示。位置 1距離儲液器相對較近，位置2位于位置1的右側(cè)10 cm處。采用水作為工作介質(zhì)，充液量為（11±0.5）g，相應(yīng)的充液率約為55%。實驗所測環(huán)路熱管的詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 環(huán)路熱管示意圖

表1 環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2為實驗測試系統(tǒng)和相應(yīng)熱電偶的位置。實驗中使用加熱塊來模擬熱源，通過直流穩(wěn)壓電源（0～35 V，20 A）來調(diào)節(jié)供應(yīng)給蒸發(fā)器的熱量，在加熱塊和蒸發(fā)器之間涂抹導熱硅膠，以減少接觸熱阻。使用可控溫的恒溫水槽來模擬不同溫度的熱沉。系統(tǒng)中布置了9個OMEGA公司生產(chǎn)的標準K型熱電偶（測量精度為±0.5 ℃，最大測量誤差為2.5%），位置如圖 2所示。使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34970A）來記錄環(huán)路熱管各個特征點的溫度變化過程，記錄和保存數(shù)據(jù)的周期為2 s。根據(jù)熱電偶、加熱模塊的測試精度，系統(tǒng)熱阻的最大測量誤差為6%，實驗中使用恒溫水槽來冷卻冷凝部分，冷凝水溫度為 25 ℃。測試過程中環(huán)境溫度為（25±2）℃。對于電子元器件，為了保證工作的可靠性和穩(wěn)定性，一般要求工作溫度低于100 ℃。在本文中當環(huán)路熱管的運行溫度為（100±3）℃時的功率即為最大熱負荷（Qmax），此時熱管并未出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，仍可繼續(xù)工作。

圖2 實驗測試系統(tǒng)及熱電偶位置

2 結(jié)果與討論

在環(huán)路熱管中，冷凝器位置的改變將造成系統(tǒng)管線中汽液分布存在很大差異，這將造成工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)流動阻力發(fā)生變化，影響系統(tǒng)的運行性能。下文將針對圖1所示的兩個冷凝器位置來分析環(huán)路熱管的運行特性，并通過改變環(huán)路熱管的擺放方式，來考察不同條件下環(huán)路熱管反重力特性。

2.1 冷凝器位置的影響

圖3給出了該環(huán)路熱管中冷凝器位于位置1和位置2時的運行特性，實驗中熱管為水平放置。由圖3(a)可見，當冷凝器處于位置1、在20 W時，熱管能夠?qū)崿F(xiàn)啟動，但隨后出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象，冷凝器進口溫度 T4和儲液器進口溫度T6出現(xiàn)了劇烈地振動，而蒸發(fā)器的加熱面溫度T1相對比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大的溫度脈動。當熱負荷增加到30 W時，環(huán)路熱管的運行溫度（T1）增加，T4和T6的溫度脈動幅度隨之減小，運行趨于穩(wěn)定。此后，隨著熱負荷的增加，運行溫度在不短升高，當熱負荷為80 W時，T1達到了102 ℃，即最大熱負荷（Qmax）為80 W。圖3(b)為冷凝器位于位置2時的運行情況，在熱負荷為20 W時，環(huán)路熱管實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，各個溫度測量點無大幅度的溫度脈動現(xiàn)象，隨著熱負荷的增大，運行溫度不斷升高，當Q＝130 W時，蒸發(fā)器表面溫度T1為102 ℃，達到了最大熱負荷。

圖3 不同條件下的運行狀況

圖4為不同冷凝器位置下運行溫度（T1）和熱阻。由圖4(a)可見，在20 W時，位置1和位置2的T1僅相差2 ℃，而在90 W時，它們的T1相差了15 ℃，即隨著熱負荷的增大，兩種狀況下環(huán)路熱管的運行性能相差不斷變大。圖4(b)為不同狀態(tài)下熱阻隨熱負荷的變化狀況，這里熱阻定義如下：R=（ T1- TC）/Q，其中，R為熱阻，T1為蒸發(fā)器表面溫度，TC為冷凝器平均溫度，即TC= （T4+ T5）/2，Q為加熱功率?？梢姡斃淠魑挥谖恢?時熱阻一直低于位置1的狀態(tài)，如當熱負荷為80 W時，位置1和位置2的熱阻分別0.53 ℃/W和0.38 ℃/W，而當熱負荷為130 W，位置2的熱阻僅為0.21 ℃/W。

圖4 不同冷凝器位置下運行特性

由圖3和圖4可見，當冷凝器位于位置2時環(huán)路熱管啟動更為穩(wěn)定，相同熱負荷下運行溫度低，系統(tǒng)熱阻小。比較位置1和位置2可以發(fā)現(xiàn)，冷凝器位置的不同將導致系統(tǒng)中汽相管線和液相管線的長度存在差異，冷凝器位于位置1時汽相管線較長。對于本實驗中所測試的熱管，其蒸發(fā)器中毛細芯的滲透率較大（約為5×10-11m2），毛細芯中的流動阻力較小，數(shù)值分析結(jié)果表明：毛細芯中的流動阻力約為管線的15%，因而，管線流動阻力的變化將會顯著影響的系統(tǒng)運行特性[8]。

在環(huán)路熱管的各個管線中，Re一般小于100，屬于層流流動，其內(nèi)部的流動阻力可以采用式（1）來計算。

式中，L為管線長度；d為管線內(nèi)徑；v、m˙和ρ分別為管內(nèi)工質(zhì)的運動黏度、質(zhì)量流量和密度。在80 ℃時，飽和水蒸氣和飽和水的運動黏度之比為108，而在本文所研究的環(huán)路熱管中，汽、液相管線的內(nèi)徑是相同的，而系統(tǒng)在運行過程中，質(zhì)量流量也是相同的，由式（1）可見，相同長度下蒸汽在管線中的流動阻力遠大于液體工質(zhì)的阻力。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，當冷凝器位于位置1時，蒸汽管線長度比位置2的長了10 cm，相應(yīng)系統(tǒng)的流動阻力較大，導致冷凝器位于位置 1時環(huán)路熱管的運行性能較差。由圖4可見，該環(huán)路熱管在低功率（20 W和30 W）時，位置1和位置2的運行溫度T1差別較小，這是由于系統(tǒng)中工作介質(zhì)的循環(huán)速度較小，管線中流動阻力的差異不大。隨著熱負荷的增加，運行溫度T1的差異逐漸增大，當熱負荷為90 W時，冷凝器位于位置1要高15 ℃。這是由于隨著熱負荷的增加，系統(tǒng)中工質(zhì)的循環(huán)速度增大，相應(yīng)地管線中工質(zhì)的流量增加，兩種狀況下系統(tǒng)的流動阻力差異隨之增大，冷凝器位于位置1流動阻力增大，運行效率較低，熱阻較大，運行溫度也增加得更快。

綜上所述，對于并聯(lián)式平板環(huán)路熱管水平放置時，冷凝器和蒸發(fā)器的相對位置將直接影響熱管的啟動和運行特性，當冷凝器靠近蒸發(fā)器出口即蒸汽管線的長度越短時，熱管的啟動和運行性能越好，最大熱負荷越大，熱阻越??；隨著運行功率的增大，管線長度對熱管運行性能的影響更為明顯，即在相同熱負荷下位置1和位置2運行溫度差（ΔT1）不斷變大。

2.2 反重力性能

由2.1節(jié)可知，該環(huán)路熱管在冷凝器位于位置2時運行性能較好。為此，下文將以冷凝器位于位置2為基礎(chǔ)，研究環(huán)路熱管的反重力特性。圖5為環(huán)路熱管豎直放置時4種不同的放置方式，它們分別為冷凝器在上方和冷凝器在下方以及儲液器在蒸發(fā)區(qū)域上方和在蒸發(fā)區(qū)域下方。

圖5 環(huán)路熱管在豎直放置時的4種擺放方式

圖6 不同擺放方式下的啟動過程

圖6為4種擺放方式下的啟動過程，熱負荷均為20 W。對比圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，當冷凝器在蒸發(fā)器上方[圖6(a)]時，可以實現(xiàn)順利啟動，在啟動過程中出現(xiàn)了溫度過沖（overshoot）現(xiàn)象；啟動運行溫度較低，在穩(wěn)定運行后蒸發(fā)器表面溫度T1僅為51.3 ℃，且此后運行比較穩(wěn)定。而當冷凝器位于蒸發(fā)器下方[圖 6(b)]時，在啟動過程中出現(xiàn)了溫度脈動現(xiàn)象，其中冷凝器進口溫度T4的振動幅度最大，這是由于熱功率不足，引起毛細芯中的驅(qū)動力不足，導致氣態(tài)工質(zhì)進入冷凝器時的流量在不斷變化所導致的[3]。當冷凝器在上方時，由于重力作用，有利于液態(tài)工質(zhì)回流到蒸發(fā)器中，啟動性能好，運行溫度較低。但在啟動初始階段，由于重力作用，蒸汽槽道中有液體工質(zhì)存在，因而蒸發(fā)器中需要聚集更大熱量來實現(xiàn)工質(zhì)在系統(tǒng)中的循環(huán)，溫度較高，在啟動開始后由于重力的輔助作用，運行效率提高，運行溫度隨之下降[2]。

對比圖 6(c)和圖 6(d)可以發(fā)現(xiàn)，在圖 6(c)中，儲液器位于蒸發(fā)芯的上方，其運行溫度T1明顯高于圖6(d)，啟動后蒸發(fā)器表面溫度T1能夠穩(wěn)定運行，但是冷凝器進口溫度 T4和儲液器進口溫度 T6出現(xiàn)了較大的溫度波動。當平穩(wěn)運行時，T1達到87.1 ℃。在圖6(d)中，環(huán)路熱管能夠順利啟動，并實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，但在啟動過程中出現(xiàn)了溫度過沖現(xiàn)象，當穩(wěn)定運行時，T1僅為70.3 ℃。由此可見，當儲液器位于蒸發(fā)器下方時啟動性能更好，這是由于兩個方面的原因造成的：一是冷凝器和儲液器相對位置的影響，對比圖1和圖5時可以發(fā)現(xiàn)，當環(huán)路熱管處于圖5(d)狀態(tài)時，冷凝器高于儲液器，這將有利于冷凝后液體工質(zhì)回流到儲液器，進而啟動性能更好；二是蒸汽流向不同也造成了冷凝器中換熱能力存在差異，在圖5(d)狀態(tài)時，蒸汽向下流動，與重力作用方向相同，這將增大凝液的速度，降低壁面液膜厚度，強化了傳熱過程[10]，使得冷凝器換熱能力更強，啟動性能更好。

圖7為5種擺放方式下環(huán)路熱管運行溫度（T1）隨熱負荷的變化過程。由圖可見，在低功率時，由于重力的輔助作用，冷凝器位于蒸發(fā)器上方[圖5(a)]時運行溫度T1最低，而隨著熱負荷的增加，該狀態(tài)下的運行溫度不斷升高，當熱負荷超過80 W時，儲液器位于蒸發(fā)器下方[圖5(d)]時的運行溫度最低，當超過100 W時，圖5(a)狀態(tài)下的運行溫度超過了水平放置時的情況。在此過程中，冷凝器位于上方[圖5(b)]和儲液器位于上方[圖5(c)]時，由于重力的副作用，運行溫度均高于環(huán)路熱管水平放置，而儲液器位于下方[圖 5(b)]時正好相反，其運行溫度一直低于水平放置的狀態(tài)，總體運行狀況最好。

圖7 不同擺放方式下環(huán)路熱管運行溫度T1隨熱負荷變化情況

由此可見，該環(huán)路熱管可以在低功率（20 W）和高功率時各種豎直放置狀態(tài)下正常運行，具有很好的反重力特性。對比圖7中5種運行狀態(tài)可以看出，由于重力的輔助作用，當儲液器位于蒸發(fā)器下方時系統(tǒng)的運行性能最好。

3 結(jié) 論

通過大量的實驗，研究了平板環(huán)路熱管中冷凝器位置以及擺放方式對系統(tǒng)啟動過程和運行性能的影響，主要結(jié)論如下。

（1）并聯(lián)式平板型環(huán)路熱管能夠在低功率（20 W）時各種放置狀態(tài)下順利啟動，并具有良好的工作性能，最大熱負荷達到130 W，此時熱阻為0.21℃/W。

（2）對于本環(huán)路熱管，冷凝器距離蒸發(fā)器蒸汽出口越近，即蒸汽管線長度越短時，熱管的啟動性能越好，最大熱負荷越大，熱阻越小。隨著運行功率的增大，蒸汽管線長度對運行性能的影響也更明顯。

（3）并聯(lián)式平板型環(huán)路熱管能夠在各種豎直放置狀態(tài)下正常啟動和運行，具有很好的反重力特性。對比各個運行狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，當環(huán)路熱管豎直放置且儲液器位于蒸發(fā)器下方時，系統(tǒng)的運行性能最好。

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

[2] Ku J. Operating characteristics of loop heat pipes [C]// 29th International Conference on Environmental System，Denver，USA，1999.

[3] 蓋東興. 小型平板環(huán)路熱管的實驗研究與系統(tǒng)仿真[D]. 武漢：華中科技大學，2009.

[4] Singh R，Akbarzadeh A，Mochizuki M. Operational characteristics of a m iniature loop heat pipe w ith flat evaporator [J]. International Journal of Thermal Sciences，2008，47（11）：1504-1515.

[5] 莫冬傳，陳粵，呂樹申. 高效平板式兩相回路熱管的實驗研究[J].工程熱物理學報，2007，28（s1）：229-232.

[6] 周海迎. 平板式環(huán)路熱管實驗研究[D]. 南京：南京理工大學，2006.

[7] Lin Z R，Lee Z Y，Zhang L W，et al. An experimental study of heat transfer characteristics in m iniature loop heat pipes w ith rectangular shape evaporator and applications in cooling GPU [C]//InterPACK 2011-52017，July 6-8，2011，Portland，Oregon，USA.

[8] Zhang Xianfeng，Li Xuanyou，Wang Shuangfeng. Three-dimensional simulation on heat transfer in the flat evaporator of miniature loop heat pipe [J]. International Journal of Thermal Sciences，2012，54：188-198.

[9] Becker S，Vershinin S，Sartre V，et al. Steady state operation of a copper-water LHP w ith a flat-oval evaporator [J]. Applied Thermal Engineering，2011，31（5）：686-695.

[10] 王補宣. 工程傳熱傳質(zhì)學（下冊）[M]. 北京：科學出版社，2002.

Experimental investigation on the performance of loop heat pipe w ith flat evaporator

ZHANG Xianfeng
（China Electronics Technology Group Corporation No. 38 Research Institute，Hefei 230088，Anhui，China，）

To investigate the effect of condenser location and gravity on operating performance，a miniature loop heat pipe w ith series flat evaporator were tested. The results show that the loop heat pipe can start up successfully at various positions under a low heat load （20 W） and have good operating performance w ith Qmax=130 W and R=0.21℃/W. At horizontal position，the loop heat pipe w ith shorter vapor line has better start-up performance and higher Qmax. Under a higher heat load，the effect of condenser location on operating performance becomes more noticeable. It is found that a loop heat pipe w ith series flat evaporator has good anti-gravity capability and can operate w ith all elevations and tilts. When the loop heat pipe is at vertical position w ith compensation chamber above the evaporator，its operating performance is the best under the gravity field.

loop heat pipe；flat evaporator；condenser；anti-gravity capability；operating performance

TK 172.4

A

1000-6613（2012）06-1200-06

2011-12-17；修改稿日期：2013-03-03。

張先鋒（1979—），男，博士，工程師，主要從事工業(yè)節(jié)能、電子設(shè)備熱管理以及微尺度流動與傳熱方面研究。E-mail zzxxff@mail.astc.edu.cn。