環(huán)路熱管燒結(jié)毛細(xì)芯的抽吸特性

王 野, 紀(jì)獻(xiàn)兵, 鄭曉歡, 楊臥龍, 徐進(jìn)良

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環(huán)路熱管燒結(jié)毛細(xì)芯的抽吸特性

王 野, 紀(jì)獻(xiàn)兵, 鄭曉歡, 楊臥龍, 徐進(jìn)良

(華北電力大學(xué) 低品位能源多相流與傳熱北京市重點實驗室, 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室, 北京102206)

為提高環(huán)路熱管毛細(xì)芯的抽吸特性，以球形銅粉為原料，Na2CO3為造孔劑燒結(jié)制備了不同規(guī)格的毛細(xì)芯，通過紅外成像記錄工質(zhì)爬升過程的方法，研究了造孔劑添加比例和銅粉顆粒直徑對毛細(xì)芯抽吸特性的影響。結(jié)果表明銅粉顆粒直徑對毛細(xì)芯的抽吸特性具有顯著影響，當(dāng)不添加造孔劑時，工質(zhì)在毛細(xì)芯中的爬升高度和速度隨著的增大而增大。當(dāng)添加一定比例()的造孔劑后，毛細(xì)芯的抽吸特性發(fā)生明顯改變。在爬升過程初始階段，工質(zhì)的爬升高度與速度隨著的增加而增加；隨著爬升過程的進(jìn)行，工質(zhì)在適中的毛細(xì)芯中的爬升高度逐漸成為最大值。同時，發(fā)現(xiàn)隨著的增加，最大爬升高度所對應(yīng)的造孔劑添加比例不斷下降，存在顆粒直徑與造孔劑添加比例的最佳匹配關(guān)系，并相應(yīng)地推導(dǎo)出了爬升高度、顆粒直徑、造孔劑添加比例之間的實驗關(guān)聯(lián)式。

毛細(xì)芯；抽吸特性；燒結(jié)；造孔劑；紅外成像

1 前 言

環(huán)路熱管(loop heat pipe，LHP)是一種兩相傳熱裝置，與其他類型熱管，如重力熱管[1]、振蕩熱管[2]相比，具有效率高，可反重力運(yùn)行、汽液管線分離等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天和電子冷卻等領(lǐng)域[3,4]。

作為LHP的核心部件，毛細(xì)芯為工質(zhì)提供循環(huán)動力和相變場所，因此毛細(xì)芯的性能對LHP的運(yùn)行具有重要影響。在反重力工作條件下，工質(zhì)在毛細(xì)芯中的爬升高度直接決定了LHP的應(yīng)用范圍。同時，毛細(xì)芯吸收工質(zhì)的速度是影響LHP發(fā)生傳熱惡化的主要因素。因此，對毛細(xì)芯抽吸特性的研究是優(yōu)化LHP性能的重要方向。目前，毛細(xì)芯主要分為絲網(wǎng)型[5]、泡沫金屬型[6]、陶瓷型[7]和金屬粉末燒結(jié)型[8, 9]等。其中，燒結(jié)型毛細(xì)芯因具有接觸熱阻小、毛細(xì)力大等諸多優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。

對燒結(jié)型毛細(xì)芯而言，燒結(jié)顆粒直徑是影響其抽吸特性的重要因素。許多學(xué)者對此展開了相關(guān)研究。Byon等[10]通過實驗發(fā)現(xiàn)，增大顆粒直徑會提高毛細(xì)芯吸收工質(zhì)的質(zhì)量，但顆粒直徑過大會導(dǎo)致吸收質(zhì)量降低。Deng等[11]的實驗結(jié)果表明工質(zhì)的爬升高度大體上隨著顆粒直徑的增加而增加，但毛細(xì)力與滲透率對于顆粒直徑的需求相互沖突。近年來。許多研究發(fā)現(xiàn)通過添加造孔劑的方法可以有效解決毛細(xì)芯中毛細(xì)力與滲透率的矛盾關(guān)系，并成功地將其應(yīng)用于LHP中[12~14]。一些學(xué)者對此進(jìn)行了研究。Popa等[15]以人造纖維為造孔劑制造了不同規(guī)格的毛細(xì)芯，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的爬升高度隨造孔劑尺寸的增大而降低。徐計元等[16]采用溶鹽造孔法制備出燒結(jié)鎳毛細(xì)芯，實驗結(jié)果表明造孔劑添加量越大，毛細(xì)芯抽吸性能越好。但目前造孔劑對毛細(xì)芯抽吸特性的影響機(jī)理尚不清楚。同時，在上述兩種優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，為獲得性能更優(yōu)的毛細(xì)芯，聯(lián)合控制顆粒直徑和造孔劑添加量成為一種可行的思路，但目前關(guān)于此方面的報道比較缺乏，研究工作尚未系統(tǒng)展開。此外，為指導(dǎo)LHP的設(shè)計工作，文獻(xiàn)[17,18]通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了用于計算孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等毛細(xì)芯參數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式。但現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于工質(zhì)爬升高度、顆粒直徑和造孔劑添加比例之間的實驗關(guān)聯(lián)式較少，有待進(jìn)一步研究。

針對上述問題，本文以球形銅粉為原料，Na2CO3為造孔劑燒結(jié)制備不同規(guī)格的毛細(xì)芯，通過紅外成像法測量工質(zhì)的爬升過程，研究造孔劑添加比例和銅粉顆粒直徑對毛細(xì)芯抽吸特性的影響。

2 實驗過程與方法

2.1 實驗方法

由于燒結(jié)銅毛細(xì)芯具有不透明性，直接觀察工質(zhì)的流動較為困難。因此本文采用紅外成像法測量工質(zhì)的爬升過程，所用工質(zhì)為蒸餾水，實驗系統(tǒng)如圖1所示。首先，調(diào)節(jié)載物臺使盛有工質(zhì)的玻璃皿緩慢上升，直到毛細(xì)芯浸入其中。在毛細(xì)力的作用下，工質(zhì)向上爬升。此時，利用紅外熱成像儀(IR camera)測量實驗區(qū)域的溫度場，由于工質(zhì)與毛細(xì)芯之間的紅外發(fā)射率不同，使得兩者在紅外圖像上呈現(xiàn)出不同的溫度分布[19]。通過在紅外圖像中設(shè)置測量線，可以得到溫度沿毛細(xì)芯高度方向的變化曲線，如圖2所示，其突變點的橫坐標(biāo)(為206.3 mm)即為工質(zhì)的爬升高度。對于較厚的毛細(xì)芯而言，液體爬升的高度面沿毛細(xì)芯厚度方向并非完全水平，中間略高。而本文所制備的毛細(xì)芯沿紅外成像儀拍攝的方向厚度較薄(僅為4 mm)，液體爬升的高度面基本水平，通過紅外熱成像儀測量樣品表面的高度與液體在毛細(xì)芯內(nèi)部的高度相差不大，測量誤差較小。利用紅外熱成像儀進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，可以獲得工質(zhì)的爬升過程。為防止工質(zhì)蒸發(fā)對實驗結(jié)果的影響，在實驗裝置外側(cè)放置有玻璃罩。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

圖2 利用紅外成像法判斷工質(zhì)的爬升高度

2.2 毛細(xì)芯的制備

實驗選用球形銅粉作為燒結(jié)顆粒，造孔劑為碳酸鈉。不同顆粒直徑的銅粉由標(biāo)準(zhǔn)篩嚴(yán)格篩分得到，經(jīng)統(tǒng)計，其平均直徑分別為：15.0、24.1、38.8和48.1mm。Na2CO3的添加比例(體積分?jǐn)?shù))分別為0%、10%、20%、30%和40%。按所需配比，將兩者混合均勻后填入到模具內(nèi)，以氮氣作為保護(hù)氣體，在燒結(jié)爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。成型后，為除去其中的Na2CO3，將毛細(xì)芯置于流動的去離子水中沖洗，然后進(jìn)行烘干，從而完成制備工作。所制備的毛細(xì)芯長1000 mm，寬10 mm，厚4 mm。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 造孔劑添加比例對抽吸特性的影響

圖3顯示了當(dāng)為38.8mm時，造孔劑添加比例對毛細(xì)芯抽吸特性的影響。從圖3(a)中可以看出，在毛細(xì)芯浸入工質(zhì)較短的時間內(nèi)，工質(zhì)爬升速度較快，但隨著高度的增加，其爬升速度逐漸減慢。同時，可以發(fā)現(xiàn)毛細(xì)芯的抽吸特性與造孔劑添加比例密切相關(guān)。在爬升過程初始階段，如圖3(b)所示，工質(zhì)的爬升高度和速度隨著的增加而增加。但隨著爬升過程的進(jìn)行，在= 3000 s附近，與其他樣品相比，工質(zhì)在適中(20%)毛細(xì)芯中的爬升高度逐漸成為最大值，其最終高度達(dá)到536.4 mm。

圖3= 38.8mm時，造孔劑添加比例對抽吸特性的影響

Fig.3 Effect of pore forming agent proportion on capillary pumping characteristics when= 38.8mm

造成上述現(xiàn)象的原因在于，添加不同劑量的造孔劑會使毛細(xì)芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，從而對工質(zhì)的爬升產(chǎn)生不同程度的影響。圖4顯示了毛細(xì)芯樣品的SEM圖像。由圖4(a)可以看到，當(dāng)為0%(無造孔劑)時，毛細(xì)芯中只存在顆粒之間的孔隙，不存在因添加造孔劑所形成的大空穴(large pore)；當(dāng)添加一定比例的造孔劑后，通過圖4(b)~(d)可以發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)芯中開始出現(xiàn)空穴，且其數(shù)量隨著的增加而增加。與孔隙相比，空穴的尺度較大，在工質(zhì)的爬升過程中，每個空穴都可作為一個微型儲液室，在匯集下方工質(zhì)的同時，為其繼續(xù)爬升提供水源。工質(zhì)在其中的流動只需克服自身重力，黏性阻力大大減小。同時，與通過孔隙的爬升相比，工質(zhì)通過空穴爬升的曲折性減弱，爬升距離得以縮短。因此，添加造孔劑可以顯著降低工質(zhì)的爬升阻力。但另一方面，空穴數(shù)量過多會導(dǎo)致毛細(xì)芯的有效孔徑eff增大，由Laplace-Young方程：，式中，s為工質(zhì)的表面張力系數(shù)?？芍?，毛細(xì)力cap會隨之下降。因此，添加造孔劑對毛細(xì)芯的抽吸特性具有正反兩方面的影響。

3.2 銅粉顆粒直徑對抽吸特性的影響

圖5顯示了當(dāng)不添加造孔劑時，銅粉顆粒直徑對毛細(xì)芯抽吸特性的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，顆粒直徑對毛細(xì)芯的抽吸特性具有顯著影響，工質(zhì)的爬升高度和速度隨著的增大而增大。工質(zhì)在為15.0 ~ 48.1mm的毛細(xì)芯中的最終爬升高度分別為329.9、358.8、453.0和471.2 mm。這是因為在高溫的作用下，銅粉顆粒通過燒結(jié)頸相互連接，顆粒之間形成孔隙。當(dāng)較小時，孔隙易被銅粉填滿，使得工質(zhì)的流動通道被阻塞，一方面降低了毛細(xì)芯的滲透率，另一方面導(dǎo)致工質(zhì)只能通過附近的孔隙流動，使爬升路線變得曲折，從而增加了爬升阻力，使得工質(zhì)在較小的毛細(xì)芯中的爬升高度和速度較?。坏S著顆粒直徑的增大，孔隙被覆蓋或填滿而形成通道阻塞的情況逐漸減少，工質(zhì)在其中的流動情況較好，爬升阻力較小，并且爬升路線相對筆直，使得較大的毛細(xì)芯展現(xiàn)出較好的毛細(xì)抽吸特性。因此，在不添加造孔劑的條件下，毛細(xì)芯的抽吸特性隨著顆粒直徑的增大而逐漸提高。

圖5 b = 0% 時，銅粉顆粒直徑對毛細(xì)芯抽吸特性的影響

3.3 造孔劑添加比例和顆粒直徑的最佳匹配關(guān)系

圖6顯示出所有毛細(xì)芯的最終爬升高度end。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著的增加，最大爬升高度所對應(yīng)的造孔劑添加比例逐漸降低。對于為15.0mm的毛細(xì)芯，如圖6(a)所示，當(dāng)達(dá)到最大的end時，為30%；而當(dāng)為48.1mm時，如圖6(d)所示，其最大爬升高度所對應(yīng)的下降到10%。這說明，為獲得最優(yōu)的抽吸性能，不同的毛細(xì)芯所需要的造孔劑量不同，兩者之間存在最佳匹配關(guān)系。

其原因在于，顆粒直徑和造孔劑添加比例對于毛細(xì)芯抽吸特性的影響存在聯(lián)合機(jī)制。對于較小的毛細(xì)芯，雖然其有效孔徑較小，能夠產(chǎn)生較大的毛細(xì)力，但由于自身滲透率較低，導(dǎo)致其黏性阻力較大。因此，在添加了較多的造孔劑后，增加了空穴數(shù)量，黏性阻力得以降低，從而提高了毛細(xì)抽吸特性；反之，較大的毛細(xì)芯雖然滲透率較高，工質(zhì)的爬升阻力較低，但其產(chǎn)生的毛細(xì)力相對較小，過多地添加造孔劑會導(dǎo)致毛細(xì)力進(jìn)一步減小，從而嚴(yán)重降低毛細(xì)芯抽吸性能。因此，對于不同的顆粒直徑，其最佳的造孔劑添加比例并非固定不變，而是根據(jù)的變化而不斷變化。

3.4 工質(zhì)最終爬升高度的實驗關(guān)聯(lián)式

預(yù)測工質(zhì)的最終爬升高度對LHP的設(shè)計工作，尤其涉及到反重力運(yùn)行條件時具有重要意義。從上述工作可以發(fā)現(xiàn)，要獲得準(zhǔn)確的實驗關(guān)聯(lián)式，不僅要求其可以預(yù)測出顆粒直徑和造孔劑添加比例各自對end的影響，而且能夠合理地反映出兩者之間的匹配關(guān)系。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，回歸得到如下關(guān)聯(lián)式：

式中，(1-)代表毛細(xì)芯中銅粉的體積分?jǐn)?shù)。

通過實驗數(shù)據(jù)對上式進(jìn)行擬合，得到各參數(shù)值：0= 491.556，1=0.0164，2=189.762，3= 0.0257；1= 3.289，2= 4.910，3= 3.180，4= 0.096。將其代入到式(1)中，從而得到工質(zhì)最終爬升高度與顆粒直徑、造孔劑添加比例之間的實驗關(guān)聯(lián)式，如式(2)所示：

圖7顯示了該關(guān)聯(lián)式的擬合結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，本文所得到的實驗關(guān)聯(lián)式可以準(zhǔn)確反映出顆粒直徑和造孔劑添加比例之間的匹配關(guān)系，當(dāng)較小時，通過關(guān)聯(lián)式計算出的最大end所對應(yīng)的較大；而隨著的增大，最大end所對應(yīng)的逐漸向減小的方向移動，與實驗規(guī)律吻合較好。擬合值與實驗值的比較結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯瑑烧咧g的誤差在±10% 以內(nèi)，擬合效果良好。

圖7 關(guān)聯(lián)式預(yù)測顆粒直徑與造孔劑添加比例間的匹配關(guān)系

Fig.7 Relationship between particle diameter and pore forming agent proportion predicted by the correlation equation

圖8 關(guān)聯(lián)式擬合值與實驗值的比較

4 結(jié) 論

本文燒結(jié)制備了不同規(guī)格的毛細(xì)芯，利用紅外成像法對工質(zhì)的爬升過程進(jìn)行了測量，研究了造孔劑添加比例和銅粉顆粒直徑對毛細(xì)芯抽吸特性的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 毛細(xì)芯的抽吸特性與造孔劑添加比例密切相關(guān)。在爬升過程初始階段，工質(zhì)的爬升高度和速度隨著的增加而增加；但隨著爬升過程的進(jìn)行，工質(zhì)在適中的毛細(xì)芯中的爬升高度逐漸達(dá)到所有樣品中的最大值。

(2) 當(dāng)不添加造孔劑時，工質(zhì)在毛細(xì)芯中的爬升高度和速度隨著的增大而增大。

(3) 隨著的增加，最大爬升高度所對應(yīng)的造孔劑添加比例不斷下降，存在顆粒直徑與造孔劑添加比例的最佳匹配關(guān)系。

(4) 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，得到了工質(zhì)最終爬升高度與顆粒直徑、造孔劑添加比例之間的實驗關(guān)聯(lián)式，擬合值和實驗值的誤差在10% 以內(nèi)，擬合效果較好。

符號說明：

b? 造孔劑添加比例t— 爬升時間, s d— 銅粉顆粒直徑，mmT— 溫度，℃ H— 工質(zhì)爬升高度，mme— 孔隙率 Hend— 工質(zhì)最終爬升高度，mmm— 黏度，N×s×m-2 K— 滲透率，m2s— 表面張力系數(shù)，N×m-1 DPcap— 毛細(xì)力，Pa下標(biāo) DPf— 工質(zhì)爬升阻力，Pacal— 計算值 reff— 毛細(xì)芯的有效孔徑，mmexp— 實驗值

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Capillary Pumping Characteristics of Sintered Porous Wicks for Loop Heat Pipes

WANG Ye, JI Xian-bing, ZHENG Xiao-huan, YANG Wo-long, XU Jin-liang

(Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Low Grade Energy, Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Different porous wicks for loop heat pipes were sintered using copper powder as a raw material and Na2CO3as a pore forming agent to improve their capillary pumping characteristics. The risen meniscus test was conducted by an infrared imaging method to investigate the effects of Na2CO3proportion and copper powder diameter on capillary pumping characteristics. The results show that when Na2CO3is not added, the wetted height and rising velocity of working fluids within wicks increase with the increase of copper powder diameter. The capillary pumping characteristics change with the addition of Na2CO3. The wetted height and rising velocity increase with the increase of Na2CO3proportion initially, and then the maximum wetted height appears in wicks with moderate Na2CO3proportion. Moreover, with the increase of copper powder diameter, the wicks with less Na2CO3proportion show the maximum wetted height, and there exists an optimal “Na2CO3proportion-copper powder diameter” ratio. A correlation equation was proposed considering wetted height, Na2CO3proportion and copper powder diameter.

wick; capillary pumping characteristics; sinter; pore forming agent; infrared imaging

1003-9015(2016)03-0560-06

TK124

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.03.009

2015-06-24；

2015-10-13。

國家自然科學(xué)基金(51276061)；中核核反應(yīng)堆熱工水力技術(shù)重點實驗室開放基金資助；國家自然科學(xué)基金重點項目(51436004)。

王野(1991-)，男，吉林長春人，華北電力大學(xué)碩士生。

徐進(jìn)良，E-mail：xjl@ncepu.edu.cn