充注量對(duì)水冷式環(huán)路熱管性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

趙同樂，吳靜怡，張晉晉，蔡愛峰

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

充注量對(duì)水冷式環(huán)路熱管性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

趙同樂*，吳靜怡，張晉晉，蔡愛峰

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

工質(zhì)充注量對(duì)環(huán)路熱管系統(tǒng)的性能有著重要的影響。本文分析了充注量對(duì)特殊構(gòu)造環(huán)路熱管換熱性能以及控溫性的影響。在熱源功率分別為20 W和140 W、冷卻水溫為30 ℃的工況下，本文通過測(cè)量環(huán)路熱管（內(nèi)腔容積為83 cm3）蒸發(fā)器表面溫度，對(duì)其在不同工質(zhì)充注量（10 ml～80 ml）下的溫度變化進(jìn)行了討論。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文章得到了環(huán)路熱管的最佳工質(zhì)充注量。文章最后計(jì)算出不同充注量下環(huán)路熱管的熱阻，從而驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此優(yōu)化結(jié)果為環(huán)路熱管的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

環(huán)路熱管；充注量；控溫性；優(yōu)化結(jié)果

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天、軍事以及民用的電子設(shè)備功率不斷提高，功率的提高導(dǎo)致電子設(shè)備的工作溫度不斷上升，而電子設(shè)備的高溫工作環(huán)境會(huì)導(dǎo)致工作效率的降低，甚至影響其工作壽命。人們很早就開始關(guān)注如何提高電子設(shè)備的散熱能力，環(huán)路熱管便應(yīng)運(yùn)而生。環(huán)路熱管因其形式多樣、布置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、占地空間小，適合各種空間環(huán)境。本文研究了工質(zhì)的充注量對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管的影響，為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。

在過去的幾十年中，國(guó)內(nèi)外許多研究者從不同方面對(duì)環(huán)路熱管進(jìn)行了大量的研究。墨爾本皇家理工大學(xué)的SINGH[1]對(duì)大功率臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過對(duì)比單相冷卻系統(tǒng)與兩相冷卻系統(tǒng)的換熱性能，得出兩相冷卻系統(tǒng)（LHP系統(tǒng)）在處理臺(tái)式機(jī)及筆記本電腦微處理器等狹小空間散熱方面不失為一種高效的熱解決方案。

LI等[2]對(duì)具有正方形面蒸發(fā)器的高性能緊湊型銅水環(huán)路熱管做了實(shí)驗(yàn)研究，其蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)長(zhǎng)30 mm、寬30 mm、高15 mm，連接管內(nèi)徑為5 mm。在不同的熱負(fù)荷情況下對(duì)LHP系統(tǒng)的啟動(dòng)情況做了探究分析。此外，還開發(fā)出了描述毛細(xì)芯內(nèi)部后退半月板半徑的表達(dá)式，來平衡LHP系統(tǒng)隨著熱負(fù)荷的增大而增大的壓降。

ROGER等[3]和LI等[4]研究了雙孔形毛細(xì)芯在平板型LHP系統(tǒng)中的發(fā)展應(yīng)用。文章詳細(xì)分析了兩種不同方法（冷壓燒結(jié)和散粉燒結(jié)）所制造毛細(xì)芯組裝的LHP系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，毛細(xì)芯的最佳燒結(jié)溫度為700 ℃，使用冷壓燒結(jié)，造孔劑的體積分?jǐn)?shù)為30%，毛細(xì)芯的孔隙率可達(dá)到77.40%。

蓋東興[5]研制了燒結(jié)鎳毛細(xì)芯構(gòu)成的不銹鋼蒸發(fā)器，選擇氨作為工質(zhì)，采用水冷式冷凝器；同時(shí)也研究了在充灌量分別為50%、60%和70%時(shí)的環(huán)路熱管運(yùn)行特性；全面分析了LHP系統(tǒng)工質(zhì)充灌量對(duì)平板LHP系統(tǒng)的影響。

VERSHININ和MAYDANIK[6]在小型回路熱管的實(shí)驗(yàn)操作中觀察到運(yùn)行溫度的脈動(dòng)變化。變化幅度超過幾十度的強(qiáng)烈脈動(dòng)可能源于環(huán)路熱管內(nèi)部缺乏工質(zhì)，冷凝器的過熱或蒸汽泡沫周期性進(jìn)入補(bǔ)償腔并產(chǎn)生氣化現(xiàn)象等都有可能提高其溫度和體積。

YU等[7]針對(duì)制冷和空調(diào)領(lǐng)域的熱回收應(yīng)用研發(fā)了一種銅水毛細(xì)管循環(huán)毛細(xì)泵。一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同熱負(fù)荷作用于蒸發(fā)器時(shí)，毛細(xì)泵系統(tǒng)均表現(xiàn)出了良好可靠的啟動(dòng)工作過程和穩(wěn)態(tài)工作過程。實(shí)驗(yàn)還表明，如果系統(tǒng)工質(zhì)充注量和熱負(fù)荷量合理增加時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱性將可以得到改善。毛細(xì)泵的最優(yōu)工質(zhì)充注率在70%到76%。

戴國(guó)民和杜塏[8]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了制冷劑充注量和空調(diào)器毛細(xì)管長(zhǎng)度對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響，根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推出了KF-25W分體空調(diào)器毛細(xì)管長(zhǎng)度和充注量之間的最佳匹配關(guān)系，該方法對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

賈慶賢和趙夫峰[9]采用4 mm管換熱器對(duì)分體機(jī)進(jìn)行充注R410A、R290性能相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)最后得出4 mm管換熱器不僅可以明顯降低制冷劑充注量，也可以降低換熱器體積和成本。

王海峰等[10]設(shè)計(jì)了一種新型多功能空調(diào)熱水器裝置以及雙節(jié)流儲(chǔ)液器。通過切換運(yùn)行模式，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量可以自主調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。采用實(shí)驗(yàn)方法得出制冷劑的最佳充注量以及影響系統(tǒng)性能的主要因素。

本文將通過測(cè)量不同充注量下環(huán)路熱管蒸發(fā)器的壁面溫度，觀察其溫度變化趨勢(shì)；并通過不同充注量下環(huán)路熱管啟動(dòng)和穩(wěn)定過程的情況，分析其控溫性的特點(diǎn)。

1 環(huán)路熱管工作原理與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 環(huán)路熱管的工作原理

圖1所示為環(huán)路熱管的一般結(jié)構(gòu)示意圖，主要分為蒸發(fā)器、冷凝器、氣線和液線4部分，其中蒸發(fā)器包括儲(chǔ)液腔、毛細(xì)芯和蒸汽槽道。在環(huán)路熱管工作過程中，工質(zhì)在蒸發(fā)器蒸汽槽道處受熱汽化，沿氣線進(jìn)入冷凝器處冷凝換熱，冷凝后的工質(zhì)沿液線回到蒸發(fā)器中的儲(chǔ)液腔，完成一個(gè)工作循環(huán)[11]。

環(huán)路熱管的工作過程可以用P-T圖來表示，具體如圖2[12]所示。

圖1 環(huán)路熱管的一般結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 環(huán)路熱管工作時(shí)的P-T圖

圖2中，點(diǎn)1代表毛細(xì)芯處的工質(zhì)受熱蒸發(fā)時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度和壓力，1-2過程為蒸汽沿槽道進(jìn)入氣線的過程，該過程蒸汽溫度略有提高，壓力下降。2-3為工質(zhì)沿氣線流動(dòng)過程，可以近似看作等溫過程。3-4為蒸汽進(jìn)入冷凝器時(shí)的冷凝過程，在點(diǎn)4處開始凝結(jié)，4-5為工質(zhì)在冷凝器中的過冷過程，在冷凝器中壓降幾乎為0。5-6為工質(zhì)沿液線的流動(dòng)過程，該過程可看作一個(gè)等溫過程。6-7為儲(chǔ)液腔中的加熱過程，壓力保持不變，7-8為工質(zhì)在毛細(xì)芯中的流動(dòng)，工質(zhì)受熱升溫，汽化膨脹壓力增大。

整個(gè)過程中，環(huán)路熱管各處均存在壓降，而只有當(dāng)毛細(xì)芯提供的毛細(xì)壓大于總壓降時(shí)，環(huán)路熱管系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。即：

式中：

(ΔPcap)max——毛細(xì)芯提供的最大毛細(xì)壓，Pa；

ΔPv——蒸汽流動(dòng)的壓力損耗，Pa；

ΔPl——液體工質(zhì)流動(dòng)的壓力損耗，Pa；

ΔPgr——由重力場(chǎng)引起的液體靜壓力損失，Pa。

毛細(xì)芯最大毛細(xì)壓可以由Young-Laplace方程[13]得出：

式中：

σl——液態(tài)工質(zhì)的表面張力系數(shù)；

rme——多孔結(jié)構(gòu)的平均有效孔隙半徑[14]，m。

1.2 環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)環(huán)路熱管是針對(duì)大功率電子元件的散熱裝置，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參考芯片的位置和尺寸，設(shè)計(jì)為長(zhǎng)118 mm、寬75 mm、高23 mm，其中蒸發(fā)腔的尺寸為55 mm×55 mm，連接管設(shè)計(jì)為外徑7 mm，內(nèi)徑5 mm。實(shí)驗(yàn)使用的毛細(xì)芯由鎳粉和碳酸鈉按3︰1的體積比例混合燒結(jié)而成，最后置于蒸發(fā)腔內(nèi)。冷凝器由于電子元件體積的限制，故采用水冷式結(jié)構(gòu)，冷凝水套長(zhǎng)度為200 mm，外徑為20 mm，冷卻方式為逆向?qū)α鲹Q熱。

實(shí)驗(yàn)使用的環(huán)路熱管由鋁材制成；選擇鋁材是因?yàn)殇X的傳熱性能良好、質(zhì)量輕，且便于攜帶和安裝。工質(zhì)選擇水，因?yàn)樗哂泻芨叩钠瘽摕幔?,258.4 kJ/kg）、容易獲取、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)[15]。水作為冷卻工質(zhì)的另一優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)環(huán)路熱管內(nèi)部高度真空時(shí)，可以明顯降低水的沸點(diǎn)，提高換熱能力。而且鋁和水長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，安全可靠。具體實(shí)物如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)采用注射器為環(huán)路熱管充注工質(zhì)。注射器可以精確地控制添加工質(zhì)的量；由于環(huán)路熱管內(nèi)腔總體積為83 cm3，故實(shí)驗(yàn)充注量的范圍選擇為(10～80) ml。實(shí)驗(yàn)裝置及溫度測(cè)點(diǎn)示意圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，穩(wěn)壓器為熱源提供電壓，加熱銅塊為蒸發(fā)器壁面提供20 W或140 W的熱量。恒溫槽為冷凝器提供30 ℃的冷卻水，測(cè)溫精度為0.5 ℃的熱電偶布置在熱管8個(gè)位置點(diǎn)，分別位于蒸發(fā)器與熱源接觸面、蒸發(fā)器出口、冷凝器進(jìn)口、冷凝器出口、蒸發(fā)器入口等位置，另一端均連接到GL800數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置及溫度測(cè)點(diǎn)示意圖

2 環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)分析

環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建好以后，便可以開始在不同充注量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析工作。

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1） 將熱電偶布置在環(huán)路熱管的相應(yīng)位置處，環(huán)路熱管用隔熱材料包好，將環(huán)路熱管和恒溫槽之間的冷凝水管連接好，開啟循環(huán)并保持水溫為30 ℃；

2） 用注射器控制加入工質(zhì)的量，分別為10 ml、20 ml、30 ml、40 ml、50 ml、60 ml、70 ml和80 ml注入工質(zhì)后關(guān)緊閥門，開啟功率至20 W，觀察并記錄蒸發(fā)器溫度變化情況；

3） 保持其他條件不變，開啟功率至140 W，重復(fù)實(shí)驗(yàn)；

4） 處理數(shù)據(jù)，分析不同充注量下的蒸發(fā)器壁面溫度變化情況，得出結(jié)論。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 不同充注量下的環(huán)路熱管蒸發(fā)器的溫度變化情況

整理數(shù)據(jù)，對(duì)熱源功率分別為20 W和140 W，冷卻水溫度30 ℃，充注量分別取10 ml、20 ml、30 ml、40 ml、50 ml、60 ml、70 ml和80 ml時(shí)環(huán)路熱管蒸發(fā)器壁面溫度變化情況進(jìn)行分析。具體變化情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)熱源功率為20 W時(shí)，最上面5條曲線依次為環(huán)路熱管的充注量從10 ml到50 ml的蒸發(fā)器溫度變化曲線；在低充注量（小于50 ml）的情況下，隨著充注量的增加，其蒸發(fā)器溫度升高的趨勢(shì)逐漸平緩，但其溫度區(qū)分度不大。而當(dāng)充注量達(dá)到60 ml時(shí)，其溫度升高速率明顯較小，也很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。繼續(xù)增加充注量，當(dāng)充注量達(dá)到70 ml以上時(shí)，隨著時(shí)間的推移，環(huán)路熱管蒸發(fā)器壁面溫度升高速率又開始明顯增大。

從圖6中可以看出，當(dāng)熱源功率為140 W、充注量為10 ml時(shí)，環(huán)路熱管會(huì)出現(xiàn)“干燒”現(xiàn)象。當(dāng)充注量小于50 ml時(shí)，環(huán)路熱管在穩(wěn)定運(yùn)行后都保持在較高的溫度水平，且各溫度曲線區(qū)分度不大。當(dāng)充注量為60 ml時(shí)，環(huán)路熱管蒸發(fā)器的溫度最低，控制在70 ℃以下。當(dāng)充注量大于60 ml時(shí)，環(huán)路熱管蒸發(fā)器的溫度較60 ml時(shí)有所上升。

圖5 熱源功率20 W時(shí)不同充注量對(duì)應(yīng)蒸發(fā)器溫度的變化曲線

圖6 熱源功率140 W時(shí)不同充注量對(duì)應(yīng)蒸發(fā)器溫度的變化曲線

當(dāng)環(huán)路熱管充注量小于50 ml時(shí)，由于充注量過小導(dǎo)致環(huán)路熱管不能發(fā)揮全部效用；因此，各溫度曲線的區(qū)分度不大（除了熱源功率140 W時(shí)10 ml工質(zhì)的情況），且蒸發(fā)器的溫度都較高，系統(tǒng)控溫性較差。當(dāng)充注量達(dá)到60 ml時(shí)，環(huán)路熱管可以快速啟動(dòng)并保持良好的控溫性。當(dāng)充注量再增大時(shí)，過多的工質(zhì)占據(jù)了環(huán)路熱管大部分空間，系統(tǒng)運(yùn)行阻力變大，反而會(huì)使環(huán)路熱管的啟動(dòng)過程變慢且控溫性變差。

當(dāng)熱源功率分別為20 W和140 W時(shí)，將不同充注量所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器壁面最高溫度表示在圖7中。從圖7中可以看出，當(dāng)充注量為60 ml時(shí)，其蒸發(fā)器穩(wěn)定工作時(shí)的最高溫度值最小，即60 ml為環(huán)路熱管的最佳充注量。

圖7 熱源功率為20 W和140 W時(shí)蒸發(fā)器穩(wěn)定時(shí)達(dá)到的最高溫度與充注量之間的關(guān)系

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的熱阻分析

環(huán)路熱管的溫控性能可以由蒸發(fā)器穩(wěn)定時(shí)所達(dá)到的最高溫度及環(huán)路熱管的熱阻來表示。在相同的熱源功率和冷凝端冷卻條件下，蒸發(fā)器所達(dá)到的最高溫度越低，其熱阻越小，環(huán)路熱管的溫控性能越好。

這里給出環(huán)路熱管熱阻[16]的定義：

式中：

Tew——蒸發(fā)器壁面溫度，℃；

Tcond——冷凝器的平均溫度，℃；

Qe——熱源功率，W。

圖8為熱源功率分別為20 W和140 W的情況下環(huán)路熱管在不同充注量下的熱阻變化情況。從圖8可以看出，熱源功率為140 W時(shí)環(huán)路熱管的熱阻要小于20 W時(shí)的熱阻。但不管熱源功率保持在20 W還是140 W，當(dāng)環(huán)路熱管的充注量為60 ml時(shí)，即充注量占整個(gè)環(huán)路熱管內(nèi)腔體積（熱管內(nèi)腔總體積為83 cm3）的72%左右時(shí)，熱管的熱阻最?。ㄗ钚嶙璺謩e為1.1 ℃/W和0.28 ℃/W），此時(shí)環(huán)路熱管的控溫性能均最好。而當(dāng)充注量較小時(shí)，環(huán)路熱管啟動(dòng)困難，此時(shí)其熱阻較大；當(dāng)充注量更大時(shí)，由于過多的工質(zhì)導(dǎo)致環(huán)路熱管內(nèi)腔可以容納蒸汽的空間變小，同樣也不利于環(huán)路熱管的換熱，故熱阻又會(huì)變大。

因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)要選用合適的充注量，過小或過大的充注量都會(huì)影響環(huán)路熱管的啟動(dòng)過程，并使其控溫性變差。

圖8 熱源功率為20 W和140 W時(shí)環(huán)路熱管熱阻隨充注量的變化情況

3 結(jié)論

本文通過對(duì)環(huán)路熱管的原理以及特殊結(jié)構(gòu)環(huán)路熱管系統(tǒng)的蒸發(fā)器壁面溫度隨充注量變化的研究，得到以下結(jié)論。

1) 對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管，當(dāng)熱源功率為20 W或140 W，冷卻水溫保持在30 ℃時(shí)，工質(zhì)的充注量占環(huán)路熱管內(nèi)腔總體積的72%左右時(shí)其控溫性能最好。

2）充注量過小或過大均不利于特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管的高效工作。其原因?yàn)楫?dāng)充注量過小時(shí)，環(huán)路熱管難以正常啟動(dòng)并發(fā)揮相變換熱的能力，其換熱效果有限；當(dāng)充注量過大時(shí)，環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)所占內(nèi)腔空間太多，導(dǎo)致汽化的蒸汽所占空間很小，系統(tǒng)運(yùn)行阻力很大，因而也不利于環(huán)路熱管的換熱。

3）本文針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管在不同充注量下的控溫性進(jìn)行了探討，為后續(xù)環(huán)路熱管的研究奠定了基礎(chǔ)。

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Experimental Research about Influence of Refrigerant Charge on Performance of Water Cooling Loop Heat Pipe

ZHAO Tongle*, WU Jingyi, ZHANG Jinjin, CAI Aifeng
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The refrigerant charge has an important impact on the performance of loop heat pipe (LHP) system. The influence of the refrigerant charge on the heat transfer property as well as temperature control property of the LHP with special structure was analyzed in this article. By measuring the temperature of the LHP’s evaporator surface when the heat source power is 20 W or 140 W and the cooling water temperature is 30oC (the volume of the LHP is 83 cm3), the temperature change under different refrigerant charge (10 ml～80 ml) conditions was discussed. It is practicable to obtain the optimal refrigerant charge by comparing the experiment results. At the end of this article, the thermal resistances of the LHP system with different refrigerant charges are calculated, which confirmed the experimental results. The optimized results lay the foundation for the further research on LHP.

Loop heat pipe (LHP); Refrigerant charge; Temperature control property; Optimized results

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.104

*趙同樂（1992-），男，碩士研究生。研究方向：環(huán)路熱管。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800 號(hào)，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206776。E-mail：jywu@sjtu.edu.cn。