雙面蒸發(fā)器環(huán)路熱管的瞬態(tài)特性

何　松，劉志春，汪冬冬，劉　偉，楊金國(guó)，張曉嶼

（1華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2中國(guó)運(yùn)載火箭研究院，北京 100076）

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雙面蒸發(fā)器環(huán)路熱管的瞬態(tài)特性

何松1，劉志春1，汪冬冬1，劉偉1，楊金國(guó)1，張曉嶼2

（1華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2中國(guó)運(yùn)載火箭研究院，北京 100076）

環(huán)路熱管是一種高效的兩相熱控裝置，主要應(yīng)用于航天航空熱控和地面高熱流電子器件的散熱?，F(xiàn)有的平板式環(huán)路熱管只有一個(gè)面可以進(jìn)行散熱，一方面，不利的背向?qū)崾沟铆h(huán)路熱管在低熱負(fù)荷的條件下啟動(dòng)困難，另外，蒸發(fā)器的另一個(gè)面也存在散熱的潛能。針對(duì)上述不足，提出了平板型甲醇-銅雙面蒸發(fā)器環(huán)路熱管。在重力輔助傾角為10°，熱沉溫度為0℃的條件下，對(duì)單面加熱和雙面加熱的啟動(dòng)性能和變工況運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該新型環(huán)路熱管在單面加熱和雙面加熱條件下，均可以成功啟動(dòng)和正常運(yùn)行，且雙面工況時(shí)的啟動(dòng)性能比單面更穩(wěn)定、迅速；在加熱面的溫度不超過（90±2）℃的情況下，單面可以傳遞的最大熱負(fù)荷為210 W，對(duì)應(yīng)熱流為21.8 W·cm-2，而雙面?zhèn)鬟f的最大熱負(fù)荷為240 W；雙面交替運(yùn)行時(shí)，LHP能夠快速?gòu)囊粋€(gè)面轉(zhuǎn)向另一個(gè)面運(yùn)行，沒有出現(xiàn)運(yùn)行失敗。

平板式環(huán)路熱管；雙面蒸發(fā)器；溫度波動(dòng)；兩相傳熱；穩(wěn)定狀態(tài)

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151669

引　言

環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）作為一種由毛細(xì)芯提供動(dòng)力的高效兩相傳熱裝置，主要由蒸發(fā)器、補(bǔ)償腔、毛細(xì)芯、蒸氣/液體傳輸管路、冷凝器部件組成。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)是影響環(huán)路熱管傳熱性能最重要的因素，根據(jù)用途、熱源的尺寸和所使用的工質(zhì)，蒸發(fā)器主要分為圓柱型和平板型。平板型環(huán)路熱管因其具有易于與熱源貼合、傳熱效率高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)而成為高熱流熱控的研究熱點(diǎn)［1-2］。

作為完全被動(dòng)式傳熱裝置，環(huán)路內(nèi)部工質(zhì)的循環(huán)動(dòng)力主要來自毛細(xì)芯提供的毛細(xì)抽吸力，雙孔徑毛細(xì)芯的提出極大地改善了毛細(xì)芯的熱力學(xué)特性，文獻(xiàn)［3-8］將雙孔徑毛細(xì)芯用于平板型LHP，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)平板型LHP的具體應(yīng)用，莫冬傳等［9-10］對(duì)應(yīng)用于LED燈冷卻的平板型LHP的啟動(dòng)特性和熱漏對(duì)平板型環(huán)路熱管傳熱特性的影響進(jìn)行了研究。此外，為了實(shí)現(xiàn)多熱源散熱問題，汪冬冬等［11］對(duì)兩個(gè)并聯(lián)平板型蒸發(fā)器回路系統(tǒng)的啟動(dòng)性能和變工況進(jìn)行了探究。隨著環(huán)路熱管的發(fā)展，研究的熱點(diǎn)和手段也在不斷地變化［12］。

現(xiàn)有的平板式環(huán)路熱管只有一個(gè)面可以進(jìn)行散熱，一方面，不利的背向?qū)崾沟铆h(huán)路熱管在低熱負(fù)荷條件下啟動(dòng)困難，另外，蒸發(fā)器的另一個(gè)面也存在散熱的潛能。針對(duì)上述不足，提出了平板型雙面蒸發(fā)器環(huán)路熱管。為了獲得良好的啟動(dòng)和傳熱性能，選擇熱物性較優(yōu)的甲醇為工質(zhì)，熱導(dǎo)率大的銅為蒸發(fā)器殼體材料，對(duì)雙面蒸發(fā)器LHP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。系統(tǒng)采用鎳粉燒結(jié)的雙孔徑毛細(xì)芯作為主毛細(xì)芯和篩孔孔徑為2.35×10-5m的不銹鋼絲網(wǎng)制成的二次芯，對(duì)單面啟動(dòng)和雙面等熱負(fù)荷啟動(dòng)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了交替熱載荷運(yùn)行的特點(diǎn)。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1　蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 1　Internal structure of evaporator

圖2　LHP系統(tǒng)示意圖和溫度測(cè)點(diǎn)布置位置Fig.2　Schematic diagram of LHP and locations of thermocouples

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為甲醇-銅平板型環(huán)路熱管，蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，LHP系統(tǒng)的示意圖和熱電偶位置如圖2所示，加熱面2上的熱電偶如圖2左側(cè)視圖。工質(zhì)傳輸管路外徑為 φ4 mm的銅管，全長(zhǎng)為1632 mm， 蒸氣管路、液體管路分別長(zhǎng)330 mm和490 mm。套管式冷凝器與制冷機(jī)組相連，控制著冷凝器的溫度，制冷機(jī)組最低可以達(dá)到-15℃。模擬熱源是由3根加熱棒嵌入到銅棒中制成，功率由調(diào)壓器和功率計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制大小。實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)系統(tǒng)抽真空處理，本系統(tǒng)的真空度達(dá)到了4.1× 10-4Pa，充灌率為75%。24根精度為±0.2℃的T型熱電偶分別布置在系統(tǒng)不同的位置上用于測(cè)試溫度，由Keithley 2700采集數(shù)據(jù)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

啟動(dòng)是LHP運(yùn)行行為最為復(fù)雜的現(xiàn)象，與所加熱載荷大小和方式、充灌率、蒸發(fā)器和冷凝器的相對(duì)位置關(guān)系、熱沉溫度、初始汽液分布等因素有關(guān)［13-16］。根據(jù)熱載荷的大小，Huang等［17-18］在啟動(dòng)過程觀察到幾種特定的啟動(dòng)模式，本文對(duì)單面工況和雙面工況的啟動(dòng)過程及變負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行了探究。雙面蒸發(fā)器工作原理為：熱負(fù)荷加到蒸發(fā)器加熱面，部分熱量通過蒸發(fā)器壁面?zhèn)鬟f到毛細(xì)芯，液體在毛細(xì)芯具有蒸氣槽道側(cè)產(chǎn)生蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣沿著蒸氣槽道流向集氣腔并積聚，達(dá)到一定壓力后，蒸氣通過蒸氣管路進(jìn)入到冷凝器冷凝并釋放熱量，冷凝的過冷液在蒸發(fā)器中毛細(xì)芯的毛細(xì)力的作用下通過液體管路回到補(bǔ)償腔，為毛細(xì)芯的蒸發(fā)側(cè)補(bǔ)給工質(zhì)，完成這樣一個(gè)循環(huán)后，就實(shí)現(xiàn)了熱量從熱端向冷端的傳遞。

2.1單面啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在10～210 W之間都可以正常啟動(dòng)，圖3給出了10 W、30 W、40 W、160 W的啟動(dòng)過程。當(dāng)小于30 W時(shí)，LHP的啟動(dòng)表現(xiàn)為過沖模式和波動(dòng)模式。隨著熱負(fù)荷的變化，啟動(dòng)過程在某一熱負(fù)荷范圍內(nèi)出現(xiàn)溫度波動(dòng)現(xiàn)象，減弱溫度波動(dòng)對(duì)控制蒸發(fā)器壁面溫度很重要［19-20］。圖3（a）為10 W啟動(dòng)過程，熱負(fù)荷加載后，產(chǎn)生的蒸氣沿著蒸氣槽道和蒸氣管路流向冷凝器，此時(shí)冷凝器部分被液體工質(zhì)占據(jù)，冷凝器入口處的蒸氣溫度沒有立刻上升并維持在一個(gè)穩(wěn)定的值。由于背向?qū)嵝?yīng)和過冷液回流遲滯，蒸發(fā)器壁面溫度上升，蒸氣被加熱為過熱蒸氣，蒸發(fā)面和補(bǔ)償腔之間的溫差對(duì)應(yīng)的壓差增大。約20 min后，冷凝器入口再一次發(fā)生跳躍并維持較高的溫度，表明此時(shí)的壓差足以保證工質(zhì)循環(huán)。從冷凝器出來的過冷液對(duì)補(bǔ)償腔進(jìn)行冷卻，因循環(huán)量太小，運(yùn)行溫度稍微下降，最后以較小的波幅運(yùn)行。

圖3　單面啟動(dòng)過程Fig.3　Startup process with one surface heated only

圖3（b）為30 W啟動(dòng)過程，冷凝器入口處沒有溫度的大幅下降，而蒸發(fā)器進(jìn)出口、蒸發(fā)器背面與冷凝器的進(jìn)出口隨著蒸發(fā)器壁面溫度的波動(dòng)而發(fā)生溫度波動(dòng)，波幅達(dá)5℃。蒸氣連續(xù)進(jìn)入到冷凝器冷凝，過冷液回到補(bǔ)償腔降低了蒸發(fā)器壁面溫度，波動(dòng)幅度隨著過程的進(jìn)行逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

熱負(fù)荷進(jìn)一步增大到40 W時(shí)，過冷液快速地回到補(bǔ)償腔，有效抑制了通過蒸發(fā)器側(cè)壁和毛細(xì)芯的導(dǎo)熱作用，啟動(dòng)過程溫度過沖現(xiàn)象消失，如圖3（c）所示。但是，此時(shí)蒸氣量仍然相對(duì)較小，氣液界面不能完全進(jìn)入到冷凝器內(nèi)，界面在冷凝器入口處來回移動(dòng)而引起冷凝器入口處溫度波動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路出現(xiàn)溫度波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小于90 W時(shí)均伴隨著不同程度的溫度波動(dòng)，而在小于30 W的熱負(fù)荷啟動(dòng)中還伴隨著溫度過沖現(xiàn)象。

圖3（d）為160 W時(shí)的啟動(dòng)過程，蒸發(fā)器的溫度和冷凝器入口的溫度幾乎同時(shí)上升，蒸氣管路全部被蒸氣占據(jù)，氣液界面已經(jīng)完全進(jìn)入到冷凝器內(nèi)部，啟動(dòng)過程快速平穩(wěn)。

啟動(dòng)過程比較復(fù)雜，熱負(fù)荷是影響啟動(dòng)的主要因素，隨著熱載荷變化表現(xiàn)為多種模式的結(jié)合。

2.2雙面啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

兩個(gè)加熱面同時(shí)加相等的熱負(fù)荷，觀察了熱負(fù)荷為10 W-10 W到120 W-120 W系統(tǒng)的啟動(dòng)行為，圖4給出了10 W-10 W與80 W-80 W等負(fù)荷啟動(dòng)。在給定的熱負(fù)荷范圍內(nèi)，啟動(dòng)過程中未觀察到溫度過沖和啟動(dòng)失敗現(xiàn)象，兩個(gè)加熱面的啟動(dòng)過程一樣，兩面溫差小于1℃。

由LHP的運(yùn)行原理知，毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)壓力是工質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力來源。兩個(gè)毛細(xì)芯同時(shí)工作時(shí)，需要更多的液體補(bǔ)給到毛細(xì)芯的蒸發(fā)側(cè)，要求更大的工質(zhì)循環(huán)量，過冷液快速循環(huán)可以有效地抵消通過側(cè)壁和毛細(xì)芯的導(dǎo)熱，降低加熱面的溫度。

圖4（a）是10 W-10 W的啟動(dòng)，兩個(gè)面同時(shí)加熱負(fù)荷，蒸發(fā)器壁面和入口沒有出現(xiàn)溫度過沖現(xiàn)象，和10 W單面啟動(dòng)一樣，在冷凝器入口處溫度發(fā)生兩次階躍。但是兩個(gè)面同時(shí)加熱負(fù)荷，上下兩個(gè)毛細(xì)芯同時(shí)參與蒸發(fā)，相當(dāng)于拓展了蒸發(fā)器的面積，使得蒸發(fā)更加均勻，產(chǎn)生蒸氣的速率更穩(wěn)定，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。另一方面，工質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力增大，液體易于回到補(bǔ)償腔，補(bǔ)償腔溫度越低，毛細(xì)芯兩側(cè)的溫差對(duì)應(yīng)的壓差越容易形成，不需要更高的過熱度來引起核態(tài)沸騰，所以兩面同時(shí)加熱負(fù)荷時(shí)，未觀察到溫度過沖現(xiàn)象。圖4（b）是80 W-80 W的啟動(dòng)。兩個(gè)面的啟動(dòng)過程基本一樣，上毛細(xì)芯1并未出現(xiàn)因供液不足而啟動(dòng)失敗，與傳遞總熱載荷為160 W的單面啟動(dòng)過程相比，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)運(yùn)行溫度約低8℃。

圖4　雙面等熱負(fù)荷的啟動(dòng)過程Fig.4　Startup process with two surfaces applied equal heat load

3　交替熱負(fù)荷運(yùn)行

LHP在運(yùn)行過程中，熱載荷會(huì)根據(jù)實(shí)際情況需要發(fā)生變化，Wukchul等［21］研究了正弦變化的熱負(fù)荷對(duì)LHP的影響。采用上下兩個(gè)面交替加載熱負(fù)荷的方式來模擬實(shí)際應(yīng)用中變化的熱負(fù)荷，熱負(fù)荷加載方式如表1。

圖5為兩個(gè)面交替運(yùn)行曲線。在10 W-0 W啟動(dòng)過程中，與單面10 W啟動(dòng)過程相比，冷凝器入口處溫度波動(dòng)較為劇烈，表明環(huán)路內(nèi)部初始?xì)庖悍植紝?duì)啟動(dòng)過程的影響較大，隨著熱負(fù)荷轉(zhuǎn)換為0 W-20 W，整個(gè)環(huán)路又進(jìn)入到穩(wěn)定運(yùn)行階段。在30 W-0 W到90 W-0 W之間，可以明顯地觀察到溫度波動(dòng)，熱負(fù)荷進(jìn)一步增大，溫度波動(dòng)現(xiàn)象消失，這與單面啟動(dòng)過程中表現(xiàn)的啟動(dòng)行為相似。兩個(gè)面交替加熱負(fù)荷，撤掉熱負(fù)荷的加熱面溫度要高于單面運(yùn)行時(shí)不工作的那個(gè)面的溫度，在余熱的影響下，與之對(duì)應(yīng)的毛細(xì)芯繼續(xù)工作，導(dǎo)致環(huán)路內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)量隨著過程的進(jìn)行逐漸在改變，故雙面交替運(yùn)行時(shí)兩個(gè)面的相互影響較單面運(yùn)行時(shí)要大。單面啟動(dòng)和熱載荷交替運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)表明，在10°重力輔助傾角的運(yùn)行條件下，隨著熱負(fù)荷的增加，逐漸從溫度波動(dòng)狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，意味著氣液界面已經(jīng)從蒸氣管路側(cè)移到冷凝器內(nèi)，運(yùn)行模式從單一的毛細(xì)控制模式轉(zhuǎn)向毛細(xì)-重力共同控制模式。

表1　R熱負(fù)荷分配Table 1　Heat load arrangement

圖5　雙面交替熱負(fù)荷運(yùn)行Fig.5　Operation with alternative heat load

4　結(jié)　論

本文對(duì)甲醇-銅雙面加熱蒸發(fā)器的環(huán)路熱管的啟動(dòng)以及交替變熱負(fù)荷運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過本文的研究，可以得到如下結(jié)論。

（1）單面加熱負(fù)荷時(shí)，可以在10～210 W成功啟動(dòng)，單面?zhèn)鬟f的最大熱流為21.8 W·cm-2，啟動(dòng)模式隨著熱載荷的變化而變化，在小于30 W時(shí)，表現(xiàn)為溫度過沖和溫度波動(dòng)的結(jié)合。

（2）雙面同時(shí)加熱負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)，液體更容易回流，可以更好地對(duì)補(bǔ)償腔進(jìn)行冷卻，在給定的熱負(fù)荷工況下啟動(dòng)過程未觀察到溫度過沖現(xiàn)象。

（3）從單面10 W啟動(dòng)和10 W-0 W交替熱負(fù)荷啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)，初始的氣液分布對(duì)啟動(dòng)過程影響較大。

（4）在熱負(fù)荷交替的變工況情況下，系統(tǒng)能夠快速?gòu)囊粋€(gè)面轉(zhuǎn)向另一面運(yùn)行。卸掉熱負(fù)荷后的加熱面的余熱對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行有較大的影響。

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Transient properties of bifacial evaporator loop heat pipe

HE Song1， LIU Zhichun1， WANG Dongdong1， LIU Wei1， YANG Jinguo1， ZHANG Xiaoyu2
（1School of Energy and Engineering Power， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， Hubei， China；2China Academy of Launch Vehicle Technology， Beijing 100076， China）

Loop heat pipe （LHP） is an efficient two-phase heat transfer device， mainly applied to spacecrafts and terrestrial electronics with high heat density. The existing flat loop heat pipes （FLHPs） are only used a surface to dissipate heat. Thus， the adverse back-conduction makes it difficult for FLHPs to startup at low heat loads， and also， the another surface of the flat evaporator possesses the potential for heat rejection. Aiming at the disadvantages above， a methanol-copper loop heat pipe with a bifacial evaporator was developed in this paper. Under the conditions of assisted-gravity angle at 10° and heat sink temperature at 0℃， startup performance and variable heat load operation were investigated with one surface heated and two surfaces heated simultaneously. The experimental results indicated that this loop could start up successfully and operate normally when one surface or two surfaces worked， but startup process with two surfaces heated showed faster and more stable. With heat source simulator wall temperature below （90±2）℃， the evaporator with one surface heated could transfer the maximum heat load of 210 W， corresponding to a heat flux of 21.8 W·cm-2， while 240 W at the evaporator with two surfaces heated. For operation with alternative heat load， the LHP could quickly shift from one surface to another surface， and operation failure was not observed.

date： 2015-11-06.

Prof. LIU Zhichun， zcliu@hust.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （50906026， 51276071）.

flat LHP； bifacial evaporator； temperature instability； two-phase heat transfer； steady state

TK 124

A

0438—1157（2016）05—1778—06

2015-11-06收到初稿，2016-01-26收到修改稿。

聯(lián)系人：劉志春。第一作者：何松（1989—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50906026， 51276071）。