強(qiáng)化相變驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管蒸發(fā)器可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)建立及實(shí)驗(yàn)

鄭銘鑄，諸凱，楊洋，魏杰（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

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研究開(kāi)發(fā)

強(qiáng)化相變驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管蒸發(fā)器可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)建立及實(shí)驗(yàn)

鄭銘鑄，諸凱，楊洋，魏杰
（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134）

摘要：以研究強(qiáng)化相變驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管的傳熱機(jī)制為目的，設(shè)計(jì)了一種帶有相變空間的新型結(jié)構(gòu)可視化平板熱管蒸發(fā)器，實(shí)驗(yàn)研究了相變空間高度對(duì)熱管蒸發(fā)器啟動(dòng)時(shí)間的影響與加熱功率對(duì)其啟動(dòng)傳熱特性的影響，并觀察了啟動(dòng)過(guò)程中工質(zhì)在相變空間內(nèi)的相變特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在不同相變空間高度情況下，實(shí)驗(yàn)蒸發(fā)器系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間存在明顯差異，當(dāng)相變空間為1mm時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間較短，工質(zhì)不易出現(xiàn)干涸現(xiàn)象。并且在啟動(dòng)加熱功率不同時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)熱阻也不同，更高的加熱功率對(duì)應(yīng)更低的整體熱阻。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)的觀察與分析，為建立環(huán)路熱管相變驅(qū)動(dòng)機(jī)制的可行性研究奠定了基礎(chǔ)，為建立描述這一驅(qū)動(dòng)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：環(huán)路熱管；相變驅(qū)動(dòng)；可視化；平板蒸發(fā)器

環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）是一種利用毛細(xì)抽力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)完成循環(huán)流動(dòng)及熱量傳輸?shù)母咝峥匮b置[1]。最先是被各國(guó)運(yùn)用于航空航天領(lǐng)域[2]，后憑著其傳熱效率高，結(jié)構(gòu)靈活，無(wú)需外置動(dòng)力等優(yōu)勢(shì)，逐步被應(yīng)用于其他各個(gè)民用領(lǐng)域[3]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，高熱流密度電子元器件（以計(jì)算機(jī)芯片為代表）的散熱成了阻礙其發(fā)展的突出難題，如一個(gè)尺寸為60.9cm×76.2cm的服務(wù)器模塊熱流密度在2.2W/cm2左右，可以想象未來(lái)的設(shè)備散熱量將更大[4]。至今，熱管以其特有的傳熱特性與優(yōu)勢(shì)，仍被認(rèn)為是解決電子設(shè)備中這一類高熱流密度傳熱問(wèn)題的有效手段之一[5]。

在環(huán)路熱管幾十年的研究與發(fā)展中，人們對(duì)其啟動(dòng)過(guò)程[6]、毛細(xì)結(jié)構(gòu)[7]及傳熱特性[8]等很多方面有了較為清晰的認(rèn)識(shí)和理解。對(duì)于如何進(jìn)一步減小循環(huán)阻力，提高LHP傳熱效率，一直以來(lái)都是環(huán)路熱管研究的重點(diǎn)。但是，通過(guò)強(qiáng)化相變驅(qū)動(dòng)壓頭來(lái)提高其傳熱效率的方法，無(wú)論是理論探討還是實(shí)驗(yàn)研究，都鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文基于對(duì)環(huán)路熱管相變力驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)理和傳熱特點(diǎn)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，探究新結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的影響，并尋找更有利于這一結(jié)構(gòu)啟動(dòng)的條件。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 設(shè)計(jì)理論

環(huán)路熱管根據(jù)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力不同，其基本結(jié)構(gòu)形式可分為3種，即脈動(dòng)環(huán)路熱管、毛細(xì)環(huán)路熱管、重力環(huán)路熱管。隨著環(huán)路熱管傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)機(jī)理的不斷被研究與完善，在傳統(tǒng)經(jīng)典驅(qū)動(dòng)力理論的基礎(chǔ)上，其新的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制不斷的被提出和探討。劉偉等[9]采用熱-電比擬方法建立了毛細(xì)熱管驅(qū)動(dòng)壓頭和阻力壓降的模擬回路，提出了毛細(xì)環(huán)路熱管的相變驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。涂正凱等[10]通過(guò)對(duì)蒸發(fā)段毛細(xì)芯相變界面機(jī)理的研究，提出了熱流對(duì)毛細(xì)抽吸兩項(xiàng)流體回路和回路熱管蒸發(fā)冷凝界面的影響，并由特定蒸發(fā)相變界面條件下，對(duì)楊-拉普拉斯方程做出了一定修正，得出毛細(xì)半徑與蒸發(fā)溫度以及熱流密度之間的關(guān)系式，對(duì)毛細(xì)環(huán)路熱管的驅(qū)動(dòng)機(jī)制做出新的闡釋。本文基于上述熱管驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究，提出了以強(qiáng)化相變驅(qū)動(dòng)力來(lái)提高熱管傳熱傳質(zhì)能力的新設(shè)想。本文所設(shè)計(jì)的帶有相變空間的熱管蒸發(fā)器，在毛細(xì)環(huán)路熱管的基礎(chǔ)上，結(jié)合了毛細(xì)環(huán)路熱管與脈動(dòng)環(huán)路熱管的各自優(yōu)點(diǎn)，突出了工質(zhì)相變對(duì)齊兩端壓力差的影響，減小了毛細(xì)抽力對(duì)工質(zhì)循環(huán)的影響，又保證了工質(zhì)流動(dòng)的單向性。

對(duì)于毛細(xì)環(huán)路熱管的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，眾多研究者[11]認(rèn)為，其回路系統(tǒng)工質(zhì)的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力僅來(lái)自于蒸發(fā)器內(nèi)毛細(xì)芯的毛細(xì)抽力，即系統(tǒng)順利啟動(dòng)并運(yùn)行，需滿足公式(1)條件。

其中，ΔPcap是最大毛細(xì)抽力，也是唯一的驅(qū)動(dòng)力項(xiàng)。ΔPt是整個(gè)環(huán)路系統(tǒng)的總壓力降，包括三部分：蒸汽流動(dòng)阻力壓降ΔPv、液體流動(dòng)阻力壓降ΔPl及重力引起的壓頭變化 ΔPg（可作為動(dòng)力，也可以是阻力）。最大毛細(xì)抽力則由毛細(xì)芯的平均有效孔徑rme和其蒸發(fā)相界面的工質(zhì)表面張力 σ決定，根據(jù)楊-拉普拉斯方程得式(2)。

而對(duì)于文中強(qiáng)化相變力驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)環(huán)路熱管而言，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制與毛細(xì)熱管傳統(tǒng)理論的主要區(qū)別在于，毛細(xì)抽力不再是唯一的驅(qū)動(dòng)力。相變驅(qū)動(dòng)壓頭ΔPp將不再是可忽視的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，即系統(tǒng)運(yùn)行滿足公式(3)的條件。

其中，相變驅(qū)動(dòng)壓差ΔPp這一項(xiàng)是由工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)產(chǎn)生的高壓與冷凝段冷凝產(chǎn)生的壓降而形成的驅(qū)動(dòng)壓差。這部分驅(qū)動(dòng)壓差用來(lái)克服工質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的沿程摩擦阻力及重力等阻力，這與脈動(dòng)熱管的壓差驅(qū)動(dòng)機(jī)制有類似之處，但是工質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)狀態(tài)更接近于毛細(xì)熱管。該系統(tǒng)的工質(zhì)循環(huán)為：從冷凝器冷凝回流的液體進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)的吸液芯（低傳熱系數(shù)，疏水型分子篩），吸液芯存儲(chǔ)工質(zhì)并不斷補(bǔ)充相變空間內(nèi)（圖1中的蒸發(fā)腔）的體液工質(zhì)損失，工質(zhì)在相變空間內(nèi)發(fā)生相變。如圖1所示，蒸發(fā)腔位于吸液芯與加熱面之間，這樣就使得熱源不再直接與吸液芯接觸，使吸液芯內(nèi)部工質(zhì)不易發(fā)生相變，吸液芯內(nèi)工質(zhì)很難再相變產(chǎn)生小汽包，從而減少了系統(tǒng)流動(dòng)阻力與傳熱阻力，達(dá)到提高系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)能力的目的。因?yàn)轵?qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)主要由相變壓差提供，削弱了毛細(xì)抽力的作用，所以該系統(tǒng)在理論上強(qiáng)化了相變壓差作為驅(qū)動(dòng)力的作用，這里吸液芯表現(xiàn)出了排液阻氣的功能。而本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正是基于這一理論與結(jié)構(gòu)形式所設(shè)計(jì)的。為了更好地針對(duì)這一系統(tǒng)的傳熱特性與傳熱機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立了可視化裝置，由于蒸發(fā)段是這一設(shè)計(jì)的核心部分，所以建立的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為其蒸發(fā)段部分，不為包含冷凝段的整個(gè)回路系統(tǒng)。

圖1 強(qiáng)化相變驅(qū)動(dòng)環(huán)路熱管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由于大部分電子設(shè)備的發(fā)熱源或者需要被冷卻的器件表面為平面，因此將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為平板式熱管蒸發(fā)器[12]來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由供液裝置、集液裝置、可視化蒸發(fā)器裝置、模擬CPU熱源裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等部分組成，如圖2所示。其中，蒸發(fā)器是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分。

圖2 可視化蒸發(fā)器系統(tǒng)示意圖

可視化蒸發(fā)器主要由兩塊銅板、玻璃壁罩及吸液芯構(gòu)成，以形成相變空間（蒸發(fā)腔）、均壓腔、補(bǔ)償腔等空間，再輔以供液管路和蒸汽管路等連接部件。蒸發(fā)器的壁罩由4塊石英玻璃粘接而成，上下兩端用兩塊紫銅板與其密封形成蒸發(fā)器殼體，并用螺栓緊固。蒸發(fā)器殼體內(nèi)放置吸液芯，吸液芯用膠粘接于玻璃壁面上。粘接高度方向的位置不同，所形成的相變空間也不同，相變空間高度也由此控制。所用的吸液芯采用熱導(dǎo)率較低的疏水型分子篩，其孔隙率在40%～50%左右，平均孔徑100μm以上，厚度為25mm。吸液芯較大的孔徑與較小的熱導(dǎo)率，減小了系統(tǒng)背向?qū)崃颗c流動(dòng)阻力，使其更接近于設(shè)計(jì)所要求的排液阻汽功能。模擬CPU熱源裝置則由一塊硅加熱片以及方形銅柱組成，并用直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)加熱功率。此外，在蒸發(fā)器底部銅板與模擬熱源銅柱頂部之間設(shè)有熱導(dǎo)率為75W/(m·K)的碳纖維材料的熱結(jié)合層，并用螺栓將蒸發(fā)器、加熱片以及熱結(jié)合層材料一體化固定，實(shí)物如圖3所示。

圖3 可視化蒸發(fā)器實(shí)物圖

溫度數(shù)據(jù)通過(guò)T形熱電偶及相應(yīng)的巡檢儀（橫河GP10）采集并自動(dòng)記錄，溫度測(cè)點(diǎn)布置位置、編號(hào)與巡檢儀通道關(guān)系如表1所示。熱電偶T2測(cè)量補(bǔ)償腔（即蒸發(fā)器內(nèi)吸液芯上方空間）的溫度，T5測(cè)量吸液芯上表面的溫度，T6監(jiān)測(cè)供液的溫度，T9測(cè)量蒸發(fā)器出口蒸汽溫度，T10～T12測(cè)量蒸發(fā)器底部銅板溫度，T13~T16測(cè)量模擬CPU熱源的銅柱溫度，測(cè)量位置為銅柱豎直方向依次從上至下，并通過(guò)其溫度差來(lái)計(jì)算熱源的有效加熱功率，T18用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度。熱電偶 T1～T12的直徑為0.2mm，T13～T16的直徑為0.1mm，標(biāo)定后的誤差均為±0.2℃。

表1 溫度測(cè)量布置位置與巡檢儀通道編號(hào)關(guān)系表

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)裝置水平放置，供液裝置設(shè)置在蒸發(fā)器之上。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將工質(zhì)注入供液裝置中，工質(zhì)采用蒸餾水。之后打開(kāi)閥門，將一定量工質(zhì)存儲(chǔ)于蒸發(fā)器底部相變空間與吸液芯內(nèi)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)器底面銅板受熱，使蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)溫度升高，并逐漸在相變空間內(nèi)發(fā)生相變產(chǎn)生蒸氣，由于吸液芯起到了儲(chǔ)液阻氣的作用，使得蒸氣在蒸發(fā)器只能單向流動(dòng)，聚集于均壓腔，然后從蒸發(fā)器蒸氣管路輸出，到達(dá)集液裝置。實(shí)驗(yàn)主要研究該系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程，并進(jìn)行分析與探討。

在啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電源加熱功率保持不變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行記錄，并且通過(guò)高速攝像對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)。蒸發(fā)器從接受電源熱量開(kāi)始到穩(wěn)定運(yùn)行階段，稱為啟動(dòng)階段。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志有兩個(gè)：一個(gè)是系統(tǒng)的時(shí)均溫度穩(wěn)定，另外一個(gè)是工質(zhì)的相變界面穩(wěn)定。系統(tǒng)在不同的加熱功率或相變空間高度下，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，將此視為一組實(shí)驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀記錄的數(shù)據(jù)，得到每個(gè)實(shí)驗(yàn)組溫度隨時(shí)間變化的曲線，并由此計(jì)算繪制出熱阻隨時(shí)間變化的曲線。

其中熱阻由公式(4)定義。

式中，Te、Tc分別為供液管T6與蒸汽出口T9的溫度。而加熱量Q由公式(5)定義。

式中，A為銅柱的橫截面積。而熱流密度q由公式(6)定義。

式中，d為Tx和Ty兩點(diǎn)測(cè)溫點(diǎn)之間的距離；Tx、Ty為T13～T16點(diǎn)處任意兩點(diǎn)的溫度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)腔高度對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

圖4～圖7分別展示了在加熱功率為113.5W條件下，蒸發(fā)腔高度分別為0、1mm、3mm和5mm時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化的曲線。在溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖上，依據(jù)蒸氣出口溫度達(dá)到穩(wěn)定來(lái)判定系統(tǒng)結(jié)束了啟動(dòng)過(guò)程并達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，而且觀察到此時(shí)蒸發(fā)腔中部分飽和液態(tài)工質(zhì)被產(chǎn)生的蒸氣推至均壓腔中，符合上述判斷穩(wěn)定狀態(tài)的條件。由此，得到當(dāng)蒸發(fā)腔高度為0時(shí)，即不存在相變空間，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為 1130s；當(dāng)蒸發(fā)腔高度為1mm時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為800s；當(dāng)蒸發(fā)腔高度為3mm時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為1170s；當(dāng)蒸發(fā)腔高度為5mm時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間為750s。數(shù)據(jù)顯示不同的蒸發(fā)腔高度下，系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間存在明顯差異。即使判定穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的條件不是最準(zhǔn)確的，但是每組實(shí)驗(yàn)所判定的條件標(biāo)準(zhǔn)是一致，而且這里只對(duì)啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，不進(jìn)行單個(gè)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短的準(zhǔn)確計(jì)算。這就表明不同的蒸發(fā)腔高度對(duì)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間具有較大的影響。當(dāng)蒸發(fā)腔高度為1mm與5mm時(shí)，其系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間比不存相變空間的要少很多，說(shuō)明合理的相變空間有利于系統(tǒng)的啟動(dòng)。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)比蒸發(fā)腔高度1mm與5mm兩種情況，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)腔在 5mm時(shí)，相變空間內(nèi)工質(zhì)容易出現(xiàn)工質(zhì)過(guò)快干涸現(xiàn)象，導(dǎo)致底板溫度急劇上升，這可能是由于相變空間內(nèi)蒸氣過(guò)多，壓力過(guò)大造成吸液芯內(nèi)工質(zhì)難以滴落。而蒸發(fā)腔高度在1mm時(shí)，則不易出現(xiàn)工質(zhì)過(guò)快干涸，工質(zhì)過(guò)熱的現(xiàn)象，所以蒸發(fā)腔高度不宜過(guò)大。

圖4 蒸發(fā)腔高為0、加熱功率為113.5W時(shí)啟動(dòng)溫度曲線

圖5 蒸發(fā)腔高為1mm、加熱功率為113.5W時(shí)啟動(dòng)溫度曲線

圖6 蒸發(fā)腔高為3mm、加熱功率為113.5W時(shí)啟動(dòng)溫度曲線

圖7 蒸發(fā)腔高為5mm、加熱功率為113.5W時(shí)啟動(dòng)溫度曲線

2.2 加熱功率對(duì)熱阻的影響

圖8～圖11分別展示了在蒸發(fā)腔高度為1mm時(shí)，加熱功率分別為 58.5W、113.5W、147.5W和201.1W 下系統(tǒng)運(yùn)行工程中蒸發(fā)器熱阻隨時(shí)間變化的曲線。從圖8～圖11中可以看出，隨著時(shí)間的推移，加熱功率逐漸上升并達(dá)到穩(wěn)定，在此過(guò)程中蒸發(fā)器熱阻先是增大，然后逐漸降低并趨于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。分析原因可知，在加熱開(kāi)始時(shí)，蒸發(fā)器底板與蒸氣出口溫差是由零逐漸緩慢增大的，而加熱功率很快便達(dá)到一個(gè)較大的值。同時(shí)可以看出，此過(guò)程中底板與蒸氣出口溫差增長(zhǎng)速度小于功率增長(zhǎng)速度，因此剛開(kāi)始時(shí)熱阻增長(zhǎng)較快。當(dāng)蒸氣出口溫度產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，熱阻也隨之產(chǎn)生波動(dòng)，這是由于溫差在劇烈波動(dòng)的同時(shí)，加熱功率波動(dòng)卻相對(duì)較弱。還可以看出，加熱功率越小波動(dòng)情況越嚴(yán)重。隨著運(yùn)行逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，底板與蒸氣出口溫差逐漸減小，而加熱功率逐漸達(dá)到設(shè)定值并且維持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，因此蒸發(fā)器熱阻逐漸減小并逐漸趨于一個(gè)固定值。此外，隨著加熱功率的增加，蒸發(fā)器熱阻波動(dòng)的時(shí)間越來(lái)越短，達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間也越來(lái)越短，蒸發(fā)器在波動(dòng)過(guò)程中的最大熱阻值也越來(lái)越低。這也側(cè)面印證了環(huán)路熱管蒸發(fā)器在低負(fù)荷時(shí)啟動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而較高的加熱負(fù)荷有利于環(huán)路熱管快速穩(wěn)定的啟動(dòng)。因此，可得出，最終加熱功率為58.5W時(shí)蒸發(fā)器熱阻穩(wěn)定在0.173℃/W，加熱功率為113.5W時(shí)蒸發(fā)器熱阻穩(wěn)定在0.071℃/W，加熱功率為174.5W時(shí)蒸發(fā)器熱阻穩(wěn)定在0.067℃/W，加熱功率為201.1W時(shí)蒸發(fā)器熱阻穩(wěn)定在0.066℃/W。其中蒸發(fā)器熱阻穩(wěn)定之后出現(xiàn)小的波動(dòng)是由于加熱功率波動(dòng)所導(dǎo)致的。

與傳統(tǒng)毛細(xì)環(huán)路熱管相似，以強(qiáng)化相變力驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管能否經(jīng)過(guò)啟動(dòng)階段順利達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，與加熱功率有直接的關(guān)系。存在一個(gè)最小加熱功率能使其達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，如果加熱功率小于這個(gè)值，則系統(tǒng)不能順利啟動(dòng)，一旦達(dá)到或者超過(guò)這個(gè)值系統(tǒng)就能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 工質(zhì)的可視化

圖8 蒸發(fā)腔高為1mm、加熱功率為58.5W時(shí)熱阻曲線

圖11 蒸發(fā)腔高為1mm、加熱功率為201.5W時(shí)熱阻曲線

在啟動(dòng)階段，如果加熱功率不夠大，那么蒸發(fā)腔內(nèi)液體不發(fā)生明顯變化，只在玻璃壁上出現(xiàn)凝結(jié)的液珠，液體無(wú)法變?yōu)檎魵馔ㄟ^(guò)蒸發(fā)器進(jìn)入集液裝置；如果加大功率，足夠使得液體達(dá)到沸點(diǎn)，相變空間內(nèi)將出現(xiàn)池沸騰現(xiàn)象；如果繼續(xù)加大功率，達(dá)到啟動(dòng)功率，則系統(tǒng)順利到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。如果加熱功率過(guò)大，蒸發(fā)腔內(nèi)的液體將快速被蒸發(fā)干，而吸液芯內(nèi)的工質(zhì)來(lái)不及補(bǔ)充，將會(huì)使蒸發(fā)腔內(nèi)充滿蒸汽，底部銅板溫度急劇上升。如果系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，相變空間內(nèi)充滿蒸汽，將吸液芯內(nèi)液態(tài)工質(zhì)與相變空間內(nèi)液態(tài)工質(zhì)相對(duì)分離開(kāi)來(lái)，同時(shí)進(jìn)入蒸發(fā)器的液體工質(zhì)量與排出的氣體量相當(dāng)，使相變空間內(nèi)工質(zhì)保持較為穩(wěn)定狀態(tài)，如圖12所示。而且觀察到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀況的出現(xiàn)不僅與加熱功率和進(jìn)液量有關(guān)，與蒸發(fā)腔的高度也有密切關(guān)系。蒸發(fā)腔高度過(guò)小，會(huì)造成吸液芯內(nèi)工質(zhì)與銅板無(wú)法分離的情況；而蒸發(fā)腔高度過(guò)大，會(huì)造成蒸發(fā)腔內(nèi)壓力過(guò)大，使得工質(zhì)無(wú)法滴落的情況。因此適合的蒸發(fā)腔高度與相應(yīng)加熱功率的選擇是強(qiáng)化相變力驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件之一。

圖12 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)滴落過(guò)程

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)化相變力驅(qū)動(dòng)的環(huán)路熱管，是對(duì)毛細(xì)環(huán)路熱管的傳熱機(jī)制所進(jìn)行的重新審視，突出了相變力驅(qū)動(dòng)壓頭是不可忽視的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。可視化實(shí)驗(yàn)裝置的建立，使熱管蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)變化的傳熱特征可進(jìn)行可視化研究，研究了蒸發(fā)腔高度、加熱功率等對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)和傳熱性能的影響，得出以下結(jié)論。

（1）所設(shè)計(jì)的相變空間結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)產(chǎn)生了有利的影響。

（2）較高的加熱功率有利于所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)傳熱性能。

（3）觀察了實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)過(guò)程中蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的相變傳質(zhì)過(guò)程，得出蒸發(fā)腔高度與相應(yīng)加熱功率對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行有重要影響。

（4）實(shí)驗(yàn)對(duì)建立閉合環(huán)路熱管相變驅(qū)動(dòng)機(jī)制的可行性研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并為建立描述這一驅(qū)動(dòng)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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第一作者：鄭銘鑄（1987—），男，碩士研究生，研究方向熱管冷卻技術(shù)。E-mail zhengmingzhu1987@126.com。聯(lián)系人：諸凱，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閭鳠醾髻|(zhì)過(guò)程機(jī)理及生物傳熱研究。E-mail zhukai210@tju.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TB 3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6613（2016）07-1969-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.005

收稿日期：2015-11-13；修改稿日期：2015-12-20。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51376137）。

Design of loop heat pipes experimental rig for phase change driving force and visual experiment

ZHENG Mingzhu，ZHU Kai，YANG Yang，WEI Jie
（Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China）

Abstract：To study the driving force of loop heat pipe，a new visual evaporator of flat loop heat pipe was established with phase change space which was used to observe the change of working fluid in the experimental process.One of the main experiments was to study the effect of height of phase change space on starting-time，and the other was to study the effect of heating power on thermal resistance of system.Results showed that the staring-time is not constant in the different height of phase change space，and the same to the thermal resistance of system in different heating powers.When the height of phase change space is 1mm，the starting-time is short and the working fluid cannot be dried up easily.The present study provides a basis for the establishment of closed system and for the creation of new mathematical model of the driving mechanism.

Key words：loop heat pipe；phase change driving；visualization；flat evaporator