微通道冷凝器低溫回路熱管的實(shí)驗(yàn)研究

陳躍勇 芮驥才 韓娜麗 董德平

(1中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

微通道冷凝器低溫回路熱管的實(shí)驗(yàn)研究

陳躍勇1,2芮驥才1,2韓娜麗1,2董德平1

(1中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083) (2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

設(shè)計(jì)了一套以乙烷作為工質(zhì)，使用微通道冷凝器的低溫回路熱管原理樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)的降溫過程、傳熱性能以及再啟動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在5 W的驅(qū)動(dòng)功率下該低溫回路熱管可實(shí)現(xiàn)快速降溫，在降溫過程中通過增大蒸發(fā)器的加熱功率可以加速回路熱管的降溫;該樣機(jī)可以在200 K時(shí)能夠穩(wěn)定傳輸50 W的熱量，并且隨著加熱功率的增大，回路熱管的熱阻不斷減小;在回路熱管停止工作后，重新施加熱量，該樣機(jī)仍能夠正常啟動(dòng);該樣機(jī)在本實(shí)驗(yàn)中的最大傳熱功率為54 W，此時(shí)的熱阻為0.46 K/W。

微通道 冷凝器 回路熱管 低溫 乙烷

1 引 言

回路熱管是一種利用工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯表面吸收熱量蒸發(fā)產(chǎn)生毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，在冷凝器中冷凝釋放熱量的高效兩相傳熱設(shè)備?；芈窡峁軅鳠崮芰?qiáng)、效率高、無運(yùn)動(dòng)部件及傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著空間探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，探測(cè)器陣列由線陣向面陣發(fā)展，尤其是大光學(xué)焦平面的應(yīng)用，空間載荷所需要的冷量也越來越大，同時(shí)光學(xué)焦面對(duì)制冷機(jī)的振動(dòng)比較敏感，因此需要大冷量的低溫回路熱管將制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量傳輸?shù)焦鈱W(xué)載荷[1]。然而傳統(tǒng)的回路熱管所使用的冷凝器為蛇形盤管式結(jié)構(gòu)，該種冷凝器重量重、體積大、熱阻高且效率低，因而在空間應(yīng)用中受到限制。中國(guó)科院理化技術(shù)研究所趙雅楠[2]以及上海技術(shù)物理研究所劉成志[3]等均進(jìn)行了新型冷凝器低溫回路熱管的研究。近些年來，由于微通道換熱器通道小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高熱流密度的電子設(shè)備散熱[4]。為滿足大冷量、輕量、高效的冷量傳輸需求，設(shè)計(jì)了一套使用微通道冷凝器的低溫回路熱管樣機(jī)CLHP1并進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 微通道冷凝器

通常對(duì)于水力直徑小于1 mm的換熱器成為微通道換熱器，且通道的結(jié)構(gòu)形狀有矩形、圓形、三角形和梯形之分[5]。對(duì)于用于回路熱管冷凝器結(jié)構(gòu)的微通道冷凝器，本設(shè)計(jì)采用在紫銅板刻槽然后真空釬焊成一個(gè)整體的工藝，如圖1所示為設(shè)計(jì)的矩形微通道冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖。定義Hc為微通道的高度，Wc為微通道的寬度，Lc為微通道的長(zhǎng)度，δ為兩通道之間的肋厚，Wf為2個(gè)換熱單元之間的壁厚，由6個(gè)微通道組成1個(gè)換熱單元，n為換熱單元數(shù)。微通道冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 微通道冷凝器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Model of microchannels condenser

表1 微通道結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Demensions of microchannel structure

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為CLHP1樣機(jī)基本結(jié)構(gòu)及測(cè)點(diǎn)分布圖，樣機(jī)蒸發(fā)器殼體、補(bǔ)償器、氣體管線和液體管線均為不銹鋼材質(zhì)，毛細(xì)芯成分為鎳粉，最大孔徑1.3 μm，孔隙率為0.48。實(shí)驗(yàn)中使用的工質(zhì)為純度>99.99%的乙烷，充裝量為10 g。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在真空罐中進(jìn)行。

圖2 CLHP1結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 Scheme of tested CLHP1

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 系統(tǒng)降溫特性

本實(shí)驗(yàn)中由于使用的工質(zhì)是乙烷，乙烷的臨界溫度為305 K， 臨界壓力為4.87 MPa，因此在常溫狀態(tài)下，CLHP1內(nèi)的乙烷處于兩相狀態(tài)，因而在常溫狀態(tài)下對(duì)蒸發(fā)器施加熱量就可以驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在回路內(nèi)循環(huán)，如圖3所示為CLHP1的降溫曲線。在真空度達(dá)到3×10-3Pa后，11：00向冷源通液氮開始降溫，冷凝器溫度點(diǎn)T7、T8溫度迅速降低，而蒸發(fā)器、補(bǔ)償室、氣體管線和液體管線均在常溫。在冷凝器溫度低于230 K后，12：15對(duì)蒸發(fā)器施加5 W的功率，液體管線靠近冷凝器端的溫度點(diǎn)T9迅速降低，隨后T10也快速下降，在此過程中蒸發(fā)器、補(bǔ)償器氣體管線溫度先上升，然后T1、T2、T3、T4、T5、T6點(diǎn)溫度也迅速降低，隨著氣體管線溫度的降低，漏熱對(duì)氣體管線的影響也越來越大，靠近充氣管線的T6點(diǎn)溫度最高。在12:40后，蒸發(fā)端降溫速率降低，這是因?yàn)殡S著冷凝液的增多，回路內(nèi)的壓力損失也增大，而驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小，此后不斷增加施加的功率10 W—15 W—20 W，13:54蒸發(fā)器溫度補(bǔ)償器溫度穩(wěn)定在198 K左右，降溫過程完成。

表2 CLHP1各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 2 Parameters of CLHP1

圖3 CLHP1降溫曲線Fig.3 Temperature decreasing curve of CLHP1

3.2 系統(tǒng)傳熱特性

圖4所示為CLHP1的傳熱性能曲線，實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)器上施加的功率為25 W/30 W/36 W/40 W/45 W/50 W。實(shí)驗(yàn)過程為：13:55蒸發(fā)器上施加25 W的功率，由于冷端溫度的變化，冷凝器、液體管線溫度上升，蒸發(fā)器溫度由198 K上升至201 K，在冷端溫度下降后，隨著冷凝器、液體管線溫度下降，蒸發(fā)器溫度降至200 K并穩(wěn)定。15:20蒸發(fā)器施加功率增加為30 W，蒸發(fā)器溫度稍微上升并穩(wěn)定在201 K。16:00蒸發(fā)器功率變?yōu)?6 W，蒸發(fā)器溫度略微上升并穩(wěn)定在203 K。16:40蒸發(fā)器上的功率增加到40 W，冷凝器溫度、液體管線溫度隨液氮溫度有較大幅度變化，蒸發(fā)器溫度上升到205 K后降至204 K并穩(wěn)定傳熱。17:50蒸發(fā)器施加45 W功率，蒸發(fā)器溫度上升到206 K。18:30蒸發(fā)器上的功率改變至50 W，由于液氮供應(yīng)不足，冷凝器溫度先緩慢上升后快速上升至180 K，蒸發(fā)器溫度緩慢上升到209 K。在整個(gè)性能試驗(yàn)階段，CLHP1的傳熱熱阻不斷減小，如圖5所示。

圖4 CLHP1 溫度隨功率變化曲線Fig.4 Temperature profile with different power of CLHP1

圖5 CLHP1熱阻隨功率變化圖Fig.5 Thermal resistance with different power of CLHP1

3.3 系統(tǒng)再啟動(dòng)特性

在性能實(shí)驗(yàn)完成后，19:05關(guān)閉蒸發(fā)器上的加熱，從圖6可以看出，蒸發(fā)器溫度先下降后上升，這是因?yàn)橥Ｖ辜訜岷?，蒸發(fā)器內(nèi)部的漏熱降低，而后環(huán)境漏熱的影響使得蒸發(fā)器、補(bǔ)償器溫度上升。而液體管線、氣體管線由于本身熱容下，環(huán)境漏熱影響較大，其溫度均迅速升高。20:25開始對(duì)CLHP1停止再啟動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究，先對(duì)蒸發(fā)器施加4 W的小熱流，從圖中溫度曲線可以看出，蒸發(fā)器溫度變化很小，但是氣體管線溫度明顯下降。為研究降溫過程中20 W功率和再啟動(dòng)過程中20 W的功率對(duì)CLHP1的影響，20:35將蒸發(fā)器上施加的功率增大至20 W，可以看到蒸發(fā)器溫度先迅速上升，隨后迅速下降并穩(wěn)定在199 K。這是因?yàn)榧訜峁β释蝗辉龃螅べ|(zhì)在毛細(xì)芯表面迅速蒸發(fā)，蒸發(fā)器表面溫度迅速升高，而后產(chǎn)生的大量蒸汽沿氣體管路推動(dòng)冷凝器中的過冷液經(jīng)液體管路進(jìn)入蒸發(fā)器和補(bǔ)償室中，冷凝器溫度迅速下降。21:50對(duì)蒸發(fā)器施加54 W的加熱功率，從圖8曲線中可以看出，CLHP1各部件溫度均升高，冷凝器溫度升至188 K時(shí)蒸發(fā)器溫度穩(wěn)定在213 K，此時(shí)CLHP1的傳熱熱阻為0.46 K/W。

圖6 CLHP1再啟動(dòng)性能Fig.6 Restart-up ability of CLHP1

4 結(jié) 論

通過自行研制的使用微通道換熱器作為冷凝器的乙烷低溫回路熱管CLHP1，對(duì)CLHP1的降溫過程、傳熱特性以及再啟動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下：

(1)該冷凝器整體尺寸為45 mm×45 mm×6 mm，換熱面積小，換熱量大，換熱效率高。

(2)該樣機(jī)能在低溫和常溫狀態(tài)下正常啟動(dòng)，通過在蒸發(fā)器上施加較小的功率就能夠?qū)崿F(xiàn)CLHP1的快速降溫，且在低溫狀態(tài)下能夠在停止加熱后實(shí)現(xiàn)再啟動(dòng)。

(3)該樣機(jī)可以傳輸54 W的熱量，此時(shí)的熱阻為0.46 K/W。

1 楊 帆，董德平.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(shí)驗(yàn)結(jié)果[J].低溫工程，2011(3)：34-38.

Yan Fan, Dong Deping.A novel method accelerating temperature decreasing speed of main evaporator and experiment result[J]. Cryogenics,2011(3):34-38.

2 Zhao Ya’nan, Yan Tao, Liang Jingtao.Experimental study on a cryogenic loop heat pipe with heat capacity[J].Int. J. Heat and Mass Transfer,2011,54：3304-3308.

3 劉成志，董德平，楊 帆.乙烷溫區(qū)低溫環(huán)路熱管設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].低溫工程，2011(6)：57-59.

Liu, Chengzhi, Dong Deping, Yan Fan.Design and experimental investigations of ethane cryogenic loop heat pipe. Cryogenics,2011(6): 57-59.

4 駱廣生，王玉軍，呂陽成,譯.微反應(yīng)器—現(xiàn)代化學(xué)中的新技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Translated by Luo Guangsheng, Wang Yujun, LüYangcheng. Microreactors:New Technology for Modern Chemistry[M].Beijing Chemical Industry Press,2004.

5 王衛(wèi)東，賈建援，李萌萌.一種微通道換熱器的設(shè)計(jì)與分析[J].MEMS器件與技術(shù),2005(5):227-232.

Wang Weidong, JiaJianyuan, Li Mengmeng. Design and Analysis on a Microchannel Heat Exchanger[J]. MEMS Device & Technology,2005(5):227-232.

Experiment study on a cryogenic loop heat pipe with a microchannel condenser

Chen Yueyong1,2Rui Jicai1,2Han Nali1,2Dong Deping1

(1Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083,China) (2University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

A cryogenic loop heat pipe (CLHP) with a microchannel condenser is designed with which the cool-down process, heat transfer ability and restart ability are studied by experiments.Ethane is used as the working fluid. The experiment results show that the prototype can cool down with 5 watts applied on evaporator, and the larger heat load applied, the sooner temperature drops. Heat transfer of the CLHP is 50 watts heat at 200 K, and thermal resistance decrease with the increase of the heat load. With a heat load applied on the evaporator, this prototype re-startup after shut down. The prototype achieves a maximum heat transfer capacity of 54 watts with a thermal resistance of 0.46 K/W.

microchannel； condenser； loop heat pipe cryogenic ethane

2015-12-25；

2016-02-19

男，27歲，博士研究生。

TB65,TB66

A

1000-6516(2016)01-0043-04