多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管的傳熱特性

王野，紀(jì)獻(xiàn)兵，鄭曉歡，徐進(jìn)良

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

引 言

隨著集成化技術(shù)的快速發(fā)展，電子元件等高熱通量器件的散熱問題逐漸成為制約其行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。環(huán)路熱管（loop heat pipe, LHP）作為一種高效的兩相傳熱裝置，由于具有傳熱效率高、傳熱溫差小、可長距離傳熱等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的關(guān)注。目前，環(huán)路熱管在航空航天、電子冷卻等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

環(huán)路熱管的運(yùn)行受諸多因素的影響。作為其中的核心部件，毛細(xì)芯的特性參數(shù)直接影響到LHP的傳熱性能。因此針對LHP的性能優(yōu)化主要集中在對毛細(xì)芯的改進(jìn)上。目前，已有多種結(jié)構(gòu)和材料的毛細(xì)芯投入應(yīng)用，如絲網(wǎng)[4-6]、泡沫金屬[7]、聚乙烯[8]、陶瓷芯[9]、金屬粉末燒結(jié)[10-13]等。然而上述毛細(xì)芯多數(shù)屬于單一尺度結(jié)構(gòu)，若孔徑過大會導(dǎo)致毛細(xì)驅(qū)動力不足，孔徑過小則會導(dǎo)致蒸汽溢出阻力過大，很難協(xié)調(diào)蒸汽溢出和液體吸入的矛盾關(guān)系。而多尺度毛細(xì)芯在同一表面上具有不同尺度的孔徑，較小孔徑用于液體吸入，較大孔徑用于蒸汽溢出，在解決毛細(xì)芯對于孔徑尺度的不同需求方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢，正逐漸被應(yīng)用到LHP中[14-16]。另外，為滿足工質(zhì)高效蒸發(fā)和抑制熱泄漏對毛細(xì)芯熱導(dǎo)的不同需求，復(fù)合毛細(xì)芯成為毛細(xì)芯發(fā)展的新趨勢，其制作工藝有雙金屬燒結(jié)[17-18]和添加造孔劑[19]等。在LHP的實(shí)際應(yīng)用中，除自身結(jié)構(gòu)外，由于季節(jié)更替和工作環(huán)境的變化，LHP冷凝端所處的環(huán)境溫度、放置角度等因素同樣會影響其傳熱特性。目前，針對多尺度復(fù)合毛細(xì)芯的研究工作尚未系統(tǒng)展開，對LHP的優(yōu)化機(jī)理仍在探索之中。

針對上述問題，本文制備了一種多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管，并在不同的加熱功率、放置角度和冷卻方式條件下，對其傳熱特性進(jìn)行了測試。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與毛細(xì)芯的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，本文所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由環(huán)路熱管、電加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。環(huán)路熱管由蒸發(fā)腔、補(bǔ)償腔、冷凝器、蒸汽管路和液體管路等部分組成。蒸發(fā)腔與補(bǔ)償腔制成一體，直徑分別為?93 mm和?13 mm。蒸發(fā)腔厚度為10 mm。所有管道均由?8×0.5 mm的銅管制成，蒸汽管路和液體管路分別長300 mm和220 mm。

采用加熱膜片作為模擬熱源，輸出功率由調(diào)壓器和功率表共同控制，輸出范圍為0～200 W。加熱面積為5 cm2。為減小接觸熱阻，在加熱膜片和蒸發(fā)腔壁面之間涂有導(dǎo)熱硅脂。

溫度測量采用K型熱電偶，共有13個測點(diǎn)。其中，4個測點(diǎn)Te,out、Tc,in、Tc,out、Tcc，如圖1 (a)所示，分別用于測量蒸發(fā)腔出口，冷凝器入口，冷凝器出口和補(bǔ)償腔的溫度。為降低管壁熱阻對溫度測量的影響，如圖1 (b)所示，Te,out和Tcc測點(diǎn)分別伸入蒸汽管路中心和補(bǔ)償腔內(nèi)部。其余9個測點(diǎn)用于測量蒸發(fā)腔壁面溫度，如圖1 (c)所示，其中，Tc為蒸發(fā)腔壁面中心的溫度。數(shù)據(jù)采集所用儀器為Agilent34970A。

圖1 環(huán)路熱管系統(tǒng)圖 Fig.1 Loop heat pipe for experiment

冷凝器的冷卻方式有兩種：①風(fēng)冷方式，在室溫下，采用一臺5 W的風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱；②冰冷方式，將冷凝器放置于保持在0℃的冰水混合物中，用于模擬冷凝器所處環(huán)境溫度接近0℃時的情況（如冬季等）。此外，LHP的放置角度θ有3種：θ=0°、90°和-90°。其中，0°代表LHP水平放置，蒸發(fā)腔和冷凝器位于同一高度；90°（-90°）代表LHP豎直放置，蒸發(fā)腔低于（高于）冷凝器。實(shí)驗(yàn)所用工質(zhì)為蒸餾水，充液比（工質(zhì)體積/LHP內(nèi)部總體積）為40%。

1.2 多尺度復(fù)合毛細(xì)芯的制備

本文所制備的多尺度復(fù)合毛細(xì)芯共分為3層，結(jié)構(gòu)如圖2所示。主毛細(xì)芯呈溝槽狀，次毛細(xì)芯和第三毛細(xì)芯呈平板狀。3層毛細(xì)芯厚度均為2 mm。

圖2 多尺度復(fù)合毛細(xì)芯結(jié)構(gòu) Fig.2 Structure of modulated composite porous wick

主毛細(xì)芯是工質(zhì)的相變區(qū)域。為減小接觸熱阻，本文將其直接燒結(jié)在蒸發(fā)腔壁面上。原料采用88 μm的枝狀銅粉，燒結(jié)成型后的主毛細(xì)芯孔隙率為47%，具有多尺度結(jié)構(gòu)。其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖中可以看出，由于燒結(jié)的作用，銅粉顆粒（particle）之間不僅形成了有利于液體吸入的小孔（small pore），而且聚集成群(cluster)，形成了有利于蒸汽溢出的大孔（large pore），從而有效地滿足了同一表面內(nèi)蒸汽溢出與液體吸入對于孔徑尺度的不同需求，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

次毛細(xì)芯采用100 μm的球狀銅粉，利用二次燒結(jié)技術(shù)，將其與主毛細(xì)芯燒結(jié)成一體?？紫堵蕿?3%，具有單一尺度結(jié)構(gòu)，孔隙均勻，不存在多尺度結(jié)構(gòu)所具有的大的蒸汽溢出通道，因此可防止蒸汽向補(bǔ)償腔擴(kuò)散。工質(zhì)發(fā)生相變后，蒸汽即沿著主 毛細(xì)芯的宏觀槽道流出蒸發(fā)腔。

圖3 主毛細(xì)芯SEM圖 Fig.3 SEM image of primary wick

第三毛細(xì)芯采用具有高吸水性的隔熱棉，將其貼附在次毛細(xì)芯上，利用自身較低的熱導(dǎo)率以及與次毛細(xì)芯之間較大的接觸熱阻，起到降低熱泄漏的作用。

綜上，3層毛細(xì)芯分工明確，主毛細(xì)芯用于提供相變區(qū)域并強(qiáng)化傳熱，次毛細(xì)芯用于防止蒸汽向補(bǔ)償腔擴(kuò)散并提供額外的毛細(xì)動力，第三毛細(xì)芯用于阻熱。三層毛細(xì)芯有機(jī)結(jié)合，提升了LHP的傳熱性能。

2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)環(huán)路熱管的工作原理，為評價其傳熱性能，將各參數(shù)定義如下：

（1）熱阻Rtotal為將冷凝器溫度變化所造成的影響考慮入內(nèi)，綜合反映LHP與外界環(huán)境之間的散熱能力，本文將熱阻定義如下

式中，Tc為蒸發(fā)腔壁面中心溫度；Tair為環(huán)境溫度；Q為加熱功率。文獻(xiàn)[20-21]應(yīng)用同樣公式進(jìn)行了熱阻的計算。

（2）熱泄漏αcc當(dāng)LHP處于穩(wěn)定狀態(tài)，可忽略補(bǔ)償腔和液體管路與環(huán)境之間的熱交換，熱泄漏αcc可用式(2)～式(5)[22]算出

式中，Qcc為從蒸發(fā)腔到補(bǔ)償腔的熱泄漏量；Qvap為由工質(zhì)相變并攜帶至冷凝器中散失的熱量；mf為工質(zhì)的質(zhì)量流量；cp和r分別為工質(zhì)的比定壓熱容和汽化潛熱；Gcc為毛細(xì)芯的熱導(dǎo)；Tcc為補(bǔ)償腔的溫度；Tc,out為冷凝器的出口溫度；TV為蒸發(fā)腔的飽和溫度。

（3）均溫性系數(shù)β 本文定義均溫性系數(shù)β作為比較不同工況下蒸發(fā)腔壁面均溫性的物理量

式中，max(Teva)為蒸發(fā)腔壁面上所有溫度的最大值；Tavg為蒸發(fā)腔壁面的平均溫度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 啟動特性

啟動特性是衡量LHP性能的重要指標(biāo)。圖4表明LHP在θ=90°，風(fēng)冷條件下的啟動過程。當(dāng)加熱功率為20 W時（熱通量q為4 W·cm-2），蒸發(fā)腔壁面中心溫度Tc、蒸發(fā)腔出口溫度Te,out、冷凝器入口溫度Tc,in均呈現(xiàn)出驟升的現(xiàn)象，表明LHP已成功啟動，并發(fā)現(xiàn)該LHP啟動時間較短，啟動后運(yùn)行穩(wěn)定，無大的溫度波動。

圖4 LHP的啟動過程 Fig.4 Start-up process of LHP

3.2 蒸發(fā)腔壁面中心溫度

蒸發(fā)腔壁面中心溫度Tc是LHP系統(tǒng)中的最高溫度，可用于表征LHP的傳熱性能。圖5顯示出放置角度θ=90°時，冷卻方式對Tc的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)冰冷方式的Tc始終小于風(fēng)冷方式。當(dāng)加熱功率Q為200 W時（熱通量q為40 W·cm-2），風(fēng)冷方式的Tc為75℃，而冰冷方式僅為64℃。其原因在于，由于冷凝強(qiáng)度的提高，冷凝器中兩相區(qū)域變短，過冷段加長，從而提高了回流液體的過冷度，補(bǔ)償腔溫度相對降低，其與蒸發(fā)腔之間的溫差提高，飽 和壓差隨之提高，促使工質(zhì)循環(huán)加快。因此，冰冷方式較風(fēng)冷方式可以顯著降低Tc，強(qiáng)化LHP傳熱 性能。

圖5 θ=90°時冷卻方式對Tc的影響 Fig.5 Effects of cooling condition on Tcwhen θ=90°

圖6表明在冰冷方式下，放置角度θ對Tc的影響?？梢钥闯?，-90°的LHP Tc始終最高；當(dāng)Q較小時，0°的LHP Tc最低；隨著Q的提高，90°的LHP Tc逐漸成為最小值，相交點(diǎn)出現(xiàn)在Q=100 W附近（q為20 W·cm-2）。造成這種現(xiàn)象的原因在于，在初始階段，由于Q較小，參與到循環(huán)過程中的工質(zhì)較少，與0°的LHP相比，90°的LHP的多數(shù)液體工質(zhì)聚集在蒸發(fā)腔、補(bǔ)償腔以及蒸汽管路中，工質(zhì)循環(huán)阻力較大，因此Tc相對較高；而隨著Q增加，參與到循環(huán)過程中的工質(zhì)逐漸增多，因液體聚集而產(chǎn)生的阻礙作用減小，同時，重力對于工質(zhì)循環(huán)的輔助作用凸顯出來，使得工質(zhì)流動加快，蒸發(fā)高效進(jìn)行。因此，當(dāng)加熱功率不同時，放置角度對Tc的影響有所不同。

圖6 冰冷條件下放置角度對Tc的影響 Fig.6 Effects of inclination angle on Tcat ice cooling

3.3 熱阻

熱阻Rtotal是衡量LHP傳熱性能的重要參數(shù)，較小的熱阻表明LHP具有較好的傳熱性能。圖7表明在風(fēng)冷條件下，放置角度θ對Rtotal的影響?？梢钥闯觯?種放置角度的Rtotal均隨著Q的增加而降低。當(dāng)Q較小時，0°的熱阻最?。浑S著Q的增加，90°的熱阻逐漸低于0°的熱阻；而-90°的熱阻始終最高。圖8表明當(dāng)θ=90°時，冷卻方式對Rtotal的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于風(fēng)冷方式，冰冷方式可以降低熱阻，Rtotal最低為0.19 K·W-1。

3.4 熱泄漏

熱泄漏是影響LHP運(yùn)行的重要因素。熱泄漏不僅與毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，還與毛細(xì)芯中工質(zhì)的分布有關(guān)，毛細(xì)芯熱導(dǎo)Gcc隨其潤濕程度的增加 而減小[22]。

圖7 風(fēng)冷條件下放置角度對Rtotal的影響 Fig.7 Effects of θon Rtotalat air cooling

圖8 θ=90°時冷卻方式對Rtotal的影響 Fig.8 Effects of cooling condition on Rtotalwhen θ=90°

圖9 冰冷條件下放置角度對熱泄漏的影響 Fig.9 Effects of θ on heat leak at ice cooling

在本文中，溫度的不確定度為0.3℃。由圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用多尺度復(fù)合毛細(xì)芯可以有效降低熱泄漏，其最大值不超過0.05。經(jīng)計算，熱泄漏的相對不確定度為3.6%，因誤差造成的最大偏移為0.0018。因此，放置角度和冷卻方式對熱泄漏有顯著影響。

圖9表明在冰冷方式下，放置角度θ對熱泄漏的影響。通過對比不同角度下的熱泄漏，發(fā)現(xiàn)θ=90°的LHP的熱泄漏始終最小。其原因在于90°的LHP蒸發(fā)腔低于冷凝器，液體集中在蒸發(fā)腔和補(bǔ)償腔中，工質(zhì)對毛細(xì)芯的潤濕效果較好，因而熱導(dǎo)Gcc較小。隨著加熱功率Q的增加，不同角度的LHP的熱泄漏表現(xiàn)出不同的變化趨勢。對于0°和-90°的LHP，其熱泄漏隨功率的增加而增加，當(dāng)Q超過40 W后（q為8 W·cm-2），熱泄漏基本趨于穩(wěn)定；而90°的LHP熱泄漏隨Q的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，最大值出現(xiàn)在Q=100 W處（q為20 W·cm-2）。這是因?yàn)楫?dāng)Q較小時，工質(zhì)的相變面會隨著Q的增加逐漸深入到毛細(xì)芯內(nèi)部，導(dǎo)致毛細(xì)芯潤濕程度下降，3種角度的Gcc均隨之增加。而當(dāng)加熱功率進(jìn)一步增大，0°和-90°的毛細(xì)芯中工質(zhì)分布基本趨于穩(wěn)定，熱泄漏隨Q的變化較小。但對于90°的LHP，加熱功率的增加使其蒸汽管路中滯留的液體減少，工質(zhì)回流加快，毛細(xì)芯再一次被較好地潤濕；同時，熱量可以快速經(jīng)由工質(zhì)攜帶至冷凝器中釋放，從而熱泄漏呈現(xiàn)出下降的趨勢。另外，由上述分析，并綜合圖6中隨著加熱功率的增加，90°的LHP Tc逐漸低于0°的LHP的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)熱泄漏的降低有助于提高環(huán)路熱管傳熱性能。

圖10表明當(dāng)θ=-90°時，冷卻方式對熱泄漏的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，冰冷方式的熱泄漏始終高于風(fēng)冷方式。其原因在于，較強(qiáng)的冷凝作用導(dǎo)致回流液體的過冷度過高，蒸發(fā)腔和補(bǔ)償腔之間的溫度差（TV-Tcc）過大，由式(3)可知，熱泄漏隨之增加。因此，提高冷凝強(qiáng)度會導(dǎo)致熱泄漏的增加。

3.5 均溫性

圖10 θ=-90°時冷卻方式對熱泄漏的影響 Fig.10 Effects of cooling condition on heat leak at θ=-90°

圖11 均溫性系數(shù)β隨加熱功率的變化 Fig.11 β variation with heating power

蒸發(fā)腔壁面的均溫性對于LHP的應(yīng)用具有實(shí)際意義，較差的均溫性可能會影響發(fā)熱器件的安全 使用。圖11表明蒸發(fā)腔壁面均溫性系數(shù)β隨加熱功率Q的變化。可以發(fā)現(xiàn)，隨著Q的增加，β逐漸增大，即蒸發(fā)腔壁面溫度的均勻性逐漸變差。此外，在相同角度下，冰冷方式的β小于風(fēng)冷方式。這可能是由于冰冷方式的傳熱性能較好，蒸發(fā)腔內(nèi)部的氣體積存少，液體均勻地分布在相變區(qū)域，因此其蒸發(fā)吸熱較為均勻，從而使得冰冷方式的均溫性好于風(fēng)冷方式。

通過對比不同角度的LHP的β，可以發(fā)現(xiàn)-90°的LHP均溫性最好，0°次之，90°的均溫性較差。其原因可能是由于毛細(xì)芯中的兩相分布狀況對其熱導(dǎo)影響較大，當(dāng)蒸發(fā)腔與冷凝器的相對高度改變時，由于重力的作用，液體在毛細(xì)芯中存儲的不均勻性會隨著放置角度θ的增加而增大，使得90°的LHP的均溫性差于其他兩種角度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管，并在不同的加熱功率、放置角度和冷卻方式的條件下對其進(jìn)行了傳熱性能的測試，主要結(jié)論如下：

（1）設(shè)計了一種多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管，有效解決了在蒸發(fā)腔不同區(qū)域?qū)τ诿?xì)芯孔徑尺度和熱導(dǎo)率的不同需求，具有較好的傳熱性能，在200 W加熱功率下（q為40 W·cm-2），蒸發(fā)腔壁面中心溫度Tc最低僅為64℃。

（2）與風(fēng)冷方式相比，冰冷方式更能強(qiáng)化LHP的傳熱性能，降低Tc和熱阻，熱阻最低為0.19 K·W-1，同時冰冷方式也有利于均溫性的改善。

（3）當(dāng)加熱功率Q較小時，放置角度為0°的LHP Tc和熱阻最低；隨著Q的增加，90°的LHP Tc和熱阻成為最低值。

（4）多尺度復(fù)合毛細(xì)芯的應(yīng)用有效降低了熱泄漏。隨著Q的增加，放置角度不同的LHP熱泄漏變化趨勢不同。

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