液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)研究

張暢，謝榮建，張?zhí)?，魯?shù)闷?，吳亦農(nóng)，*，洪芳軍

（1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 工程熱物理研究所，上海200240）

深低溫環(huán)路熱管是一種深低溫?zé)醾鬏斊骷?，其?yīng)用主要面向空間深冷熱控制系統(tǒng)。近年來，深空探測、天文觀測等宇航任務(wù)持續(xù)發(fā)展，越來越多的航天器載荷需要深低溫工作環(huán)境，其中空間紅外天文望遠(yuǎn)鏡以及其他先進(jìn)探測器和光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度都低于80～120 K。隨著探測器功率及工作溫度要求的提高，空間低溫環(huán)境的制冷器件逐步由空間輻射制冷器轉(zhuǎn)為使用小型低溫機(jī)械制冷機(jī)。由于機(jī)械制冷機(jī)會對探測器造成電磁干擾及機(jī)械振動(dòng)，需要深低溫?zé)醾鬏敳考B接兩者，同時(shí)起到隔絕干擾的作用。相比于銅鏈及傳統(tǒng)深低溫?zé)峁艿葌鳠岱绞?，深低溫環(huán)路熱管具有傳熱效率高、距離長、安裝便利、可靠性高且無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在航天器深低溫?zé)峥貞?yīng)用中受到了更多研究者的青睞。

Hoang等[1-3]研制了首臺氮工質(zhì)環(huán)路熱管，通過并聯(lián)次蒸發(fā)器輔助降溫的方式，實(shí)現(xiàn)熱管的超臨界啟動(dòng)運(yùn)行。莫青等[4]采用串聯(lián)次蒸發(fā)器加速了熱管的啟動(dòng)。李強(qiáng)等[5]研究了熱管周期性熱負(fù)載運(yùn)行情況，并建立了數(shù)值計(jì)算模型。趙亞楠等[6-7]實(shí)現(xiàn)了氮工質(zhì)深低溫環(huán)路熱管大功率傳熱，最大傳熱功率41 W。楊帆和董德平[8]在冷凝器中集成了次蒸發(fā)器完成深低溫?zé)峁艿募铀賳?dòng)。柏立戰(zhàn)等[9-11]研究了小型深低溫環(huán)路熱管的器件布局對熱管性能的影響，同時(shí)建立了深低溫環(huán)路熱管數(shù)值模型。王錄等[12]對熱管的備份運(yùn)行進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在4種模式下的穩(wěn)定運(yùn)行。目前所研究的深低溫環(huán)路熱管的蒸發(fā)器為傳統(tǒng)的圓柱型結(jié)構(gòu)，相比于圓柱型結(jié)構(gòu)，新型的平板型蒸發(fā)器可以有效減小蒸發(fā)器與散熱面間的接觸熱阻，減小蒸發(fā)器體積，在常溫區(qū)[13-15]已成為環(huán)路熱管的研究熱點(diǎn)。

綜上所述，深低溫環(huán)路熱管是一種重要的熱傳輸裝置，科研人員對其開展了一系列研究，但針對工作在深低溫環(huán)境的平板型環(huán)路熱管尚未開展研究工作。同時(shí)現(xiàn)有的深低溫環(huán)路熱管主要通過并聯(lián)或串聯(lián)次蒸發(fā)器輔助降溫以及重力輔助降溫的方法實(shí)現(xiàn)超臨界啟動(dòng)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度限制了熱管的使用。為此，本文研制了一套無輔助啟動(dòng)結(jié)構(gòu)的液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管，開展了全面的實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了熱管的超臨界自啟動(dòng)特性、傳熱性能以及間歇性熱負(fù)荷下的運(yùn)行情況。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 熱管設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示，由平板蒸發(fā)器、冷凝器、液體管線、氣體管線以及儲氣庫5部分組成。圖中，Te為蒸發(fā)器溫度；Te，in為蒸發(fā)器入口溫度；Te，out為蒸發(fā)器出口溫度；Thead為熱沉溫度；Tc，in為冷凝器入口溫度；Tc，out為冷凝器出口溫度。

環(huán)路熱管為單一蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，無輔助啟動(dòng)部件。環(huán)路熱管的蒸發(fā)器為上下式平板結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償器位于蒸發(fā)器上方。蒸發(fā)器為矩形結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器的蒸汽槽道沿長度方向刻在陶瓷芯表面，在蒸發(fā)器兩端留有空腔用于蒸汽溢出后匯集。蒸發(fā)器采用多孔氧化鋯陶瓷作為毛細(xì)芯，其毛細(xì)孔徑小可增大熱管的傳熱極限。同時(shí)氧化鋯熱導(dǎo)率小于金屬材料可有效減小蒸發(fā)器的背向漏熱，減小熱管的傳熱熱阻，實(shí)物圖如圖2所示。熱管的冷凝器采用蛇形盤繞的銅管，壓入鋁板的結(jié)構(gòu)，通過銅管與鋁板間的換熱，進(jìn)行工質(zhì)的冷卻。儲氣庫連接在環(huán)路熱管的冷凝管線上以遠(yuǎn)離蒸發(fā)器來減小來自氣庫的熱量對熱管傳熱性能的影響。環(huán)路熱管工質(zhì)為氮?dú)?，氣液管線為銅制，蒸發(fā)器管殼采用不銹鋼材料，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)及溫度測點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic of loop heat pipe structure with flat evaporator and temperature measurement points

1.2 測試系統(tǒng)

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由真空罐、真空泵組、G-M制冷機(jī)、水冷機(jī)組、直流穩(wěn)壓加熱電源、薄膜電加熱片、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、Lakeshore的Cernox高精度測溫電阻、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序、氮?dú)馄?、降壓閥、截止閥和壓力表等裝置組成。真空罐和真空泵組提供真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境，隔絕熱管與環(huán)境的對流換熱。G-M制冷機(jī)和水冷機(jī)組為熱管提供散熱所需的深低溫?zé)岢?。直流穩(wěn)壓加熱電源和薄膜電加熱片作為熱負(fù)載，模擬紅外探測器等熱負(fù)荷的發(fā)熱過程。使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、Lakeshore的Cernox高精度測溫電阻和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序測量并采集傳熱系統(tǒng)各點(diǎn)溫度。氮?dú)馄?、降壓閥、截止閥和壓力表組成環(huán)路熱管工質(zhì)充裝系統(tǒng)。通過熱管內(nèi)氮?dú)獾某溲b壓力確定充裝質(zhì)量，標(biāo)定后充裝誤差小于0.1 g。實(shí)驗(yàn)中使用安裝在G-M制冷機(jī) “冷頭”的鋁制轉(zhuǎn)接塊作為深低溫?zé)岢粒軌蛲ㄟ^調(diào)節(jié)補(bǔ)償加熱功率控制熱沉溫度。熱管平放在真空罐內(nèi)，采用水平測量儀使得氣液管線與地面水平，消除重力對環(huán)路熱管運(yùn)行的影響。薄膜電加熱片貼在蒸發(fā)器下表面模擬熱負(fù)載。如圖1所示，沿環(huán)路熱管工質(zhì)循環(huán)方向在環(huán)路熱管的關(guān)鍵位置上固定溫度測點(diǎn)，測溫?cái)?shù)據(jù)采集頻率為20 s一次，標(biāo)定后測量誤差在±0.1 K。環(huán)路熱管實(shí)驗(yàn)處于真空度小于10-3Pa的真空罐內(nèi)以此隔絕與常溫環(huán)境的對流換熱，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)件上包裹30層聚酰亞胺鍍鋁薄膜減小環(huán)境的輻射漏熱。熱管的儲氣庫通過管線與罐外充裝系統(tǒng)連接，實(shí)驗(yàn)中熱管按照80 K溫度下65%的充液率進(jìn)行充裝，充裝質(zhì)量為14 g，常溫下充裝壓為2.4 MPa。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 環(huán)路熱管自啟動(dòng)特性

深低溫環(huán)路熱管內(nèi)的工質(zhì)氮?dú)庠诔叵绿幱跉鈶B(tài)，蒸發(fā)器中不存在液態(tài)工質(zhì)，熱管無法直接啟動(dòng)運(yùn)行，需要先降溫再啟動(dòng)。環(huán)路熱管在啟動(dòng)過程中各個(gè)特征節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。從圖4中可以看出，熱管的整個(gè)啟動(dòng)過程可分為3個(gè)階段。第1階段：環(huán)路熱管的冷凝器降溫；第2階段：環(huán)路熱管的管線和蒸發(fā)器降溫；第3階段：熱負(fù)載加熱，工質(zhì)循環(huán)，熱管完成啟動(dòng)開始運(yùn)行。

圖4 啟動(dòng)過程中環(huán)路熱管溫度變化Fig.4 Change of loop heat pipe temperature in startup process

第1階段開始時(shí)，傳熱系統(tǒng)處于290 K左右的室溫，管內(nèi)氣體壓力約為2.4 MPa，管內(nèi)充滿高壓的氮?dú)?。?dāng)G-M制冷機(jī)開始工作，冷凝器的溫度隨制冷機(jī)“冷頭”的溫度開始迅速降低，同時(shí)靠近冷凝器的氣液管線的溫度也隨之降低。此時(shí)熱沉與冷凝器的溫度高于氮的臨界溫度，熱管主要通過管線的管殼導(dǎo)熱進(jìn)行傳熱，因此距離冷凝器較遠(yuǎn)的管線及蒸發(fā)器降溫速率緩慢。隨著冷凝器溫度降低，管內(nèi)氮?dú)獾膲毫档?，儲氣庫中的氮?dú)獠粩噙M(jìn)入冷凝器中。當(dāng)時(shí)間為60 min時(shí)，環(huán)路熱管的冷凝器降至熱沉溫度80 K附近，冷凝器進(jìn)出口溫度接近冷凝器溫度。此時(shí)蒸發(fā)器上各點(diǎn)溫度仍接近常溫，完全依靠管線導(dǎo)熱使得溫度略有下降。環(huán)路熱管完成了冷凝器的降溫，第1階段結(jié)束。

當(dāng)冷凝器完成降溫后，更多的氮?dú)獠粩鄰膬鈳爝M(jìn)入冷凝管線，冷凝管線內(nèi)凝結(jié)的液滴逐漸增多并不斷匯聚。由于液體的延展性，液氮沿著管線殼內(nèi)壁平鋪，從冷凝器逐漸向蒸發(fā)器延伸。液氮接觸到溫度高于沸點(diǎn)的管殼吸熱氣化，管殼溫度迅速下降，蒸汽流向壓力更低的冷凝管內(nèi)，此時(shí)熱管開始可以通過工質(zhì)的相變對氣液管線進(jìn)行降溫。從圖4可以看到，當(dāng)時(shí)間為70 min左右時(shí)，蒸發(fā)器液體管線入口上的測溫點(diǎn)溫度快速下降，說明此時(shí)液氮已經(jīng)擴(kuò)散至蒸發(fā)器入口處，降溫速率極大增強(qiáng)，此處管線迅速降溫至冷凝器管線的溫度。隨后蒸發(fā)器溫度也開始迅速下降，短時(shí)間內(nèi)降至冷凝器溫度。這種情況下大量熱量通過氮工質(zhì)相變傳輸至冷凝器，冷凝器受熱溫度上升。80 min后，環(huán)路熱管各部分溫度趨于穩(wěn)定，蒸發(fā)器溫度隨冷凝器溫度緩慢下降。儲氣庫中絕大部分工質(zhì)進(jìn)入冷凝管線和蒸發(fā)器中，環(huán)路熱管整體完成降溫，降溫第2個(gè)階段結(jié)束。

當(dāng)環(huán)路熱管各部分溫度穩(wěn)定后，熱管進(jìn)入啟動(dòng)的最后一個(gè)加熱運(yùn)行階段，環(huán)路熱管各部分溫度隨熱沉溫度下降。當(dāng)時(shí)間為105 min時(shí)，對蒸發(fā)器施加2.5 W熱負(fù)載，蒸發(fā)器及蒸發(fā)器出口溫度上升。液氮在蒸發(fā)器毛細(xì)芯的表面發(fā)生相變，蒸汽在毛細(xì)壓力的作用下，蒸汽流向壓力更低的冷凝管線內(nèi)。蒸汽在冷凝器內(nèi)凝結(jié)成飽和液體，再降溫至過冷液體。在蒸汽壓力的推動(dòng)下流向熱管的補(bǔ)償器，液體再從補(bǔ)償器流入蒸發(fā)器。環(huán)路熱管的蒸發(fā)器溫度逐漸穩(wěn)定，環(huán)路熱管完成了啟動(dòng)運(yùn)行。隨后逐漸加大蒸發(fā)器負(fù)載功率，當(dāng)時(shí)間為130 min時(shí)，環(huán)路熱管在15 W加熱功率下穩(wěn)定運(yùn)行，各點(diǎn)溫度平穩(wěn)，管內(nèi)各部分壓力也趨于穩(wěn)定，儲氣庫內(nèi)壓力逐漸降低至冷凝段壓力，兩者間氣壓平衡，不再有工質(zhì)從儲氣庫進(jìn)入冷凝管線。環(huán)路熱管內(nèi)形成穩(wěn)定的氣液循環(huán)，環(huán)路熱管完成啟動(dòng)。

深低溫平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管自啟動(dòng)性能良好，當(dāng)熱沉溫度降低至液氮溫區(qū)后，環(huán)路熱管的冷凝器溫度迅速下降，蒸發(fā)器能夠無輔助自行降溫。熱管的蒸發(fā)器降溫依靠的是工質(zhì)的延展和管殼的導(dǎo)熱，本質(zhì)上還是依靠重力下液體的延展，實(shí)驗(yàn)證明逆重力是無法啟動(dòng)的，因此本質(zhì)上是一種弱作用的重力輔助啟動(dòng)。但這重力在熱管運(yùn)行時(shí)不起到輔助作用，蒸發(fā)器和冷凝器處于同一水平面，不存在重力差。管內(nèi)工質(zhì)分布均勻。加熱后氣液循環(huán)順利，溫度響應(yīng)迅速，傳熱系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱平衡，穩(wěn)定傳輸熱量。

2.2 傳熱特性

環(huán)路熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫度分布是衡量其傳熱性能的重要依據(jù)，針對深低溫環(huán)路熱管在不同溫區(qū)的傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。如圖5所示，環(huán)路熱管在冷凝器溫度為 70 K時(shí)，傳輸 5、10和15 W的溫度分布。

從圖5中可以看出，沿工質(zhì)循環(huán)方向熱管外表面有著不同溫度的分布。這是由熱管內(nèi)工質(zhì)的熱力循環(huán)特性決定的。各點(diǎn)之間的溫差隨加熱功率上升而增加。工質(zhì)從冷凝器出口流出，低溫液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入管線，由于對環(huán)境換熱所造成的影響，工質(zhì)溫度上升。隨后工質(zhì)進(jìn)入補(bǔ)償器，來自蒸發(fā)器側(cè)壁及毛細(xì)芯的背向的熱量使得工質(zhì)溫度繼續(xù)上升。工質(zhì)在毛細(xì)芯內(nèi)部及表面發(fā)生相變，氣體沿蒸汽槽道流向氣體管線，并繼續(xù)被加熱。因?yàn)檫^熱度的存在，此時(shí)蒸發(fā)器出口溫度應(yīng)低于蒸發(fā)器加熱處的溫度。但是由于深低溫環(huán)路熱管的管線受到環(huán)境施加的熱負(fù)載，氣體的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于液體，使得氣體管線的外殼溫度會高于蒸汽溫度，測量過程中該溫度更接近蒸發(fā)器加熱處的溫度。因此一般以蒸發(fā)器氣體出口處管殼溫度定義為熱負(fù)載的工作溫度。

圖5 環(huán)路熱管溫度隨功率的變化Fig.5 Variation of temperature with power for loop heat pipe

深低溫環(huán)路熱管在紅外探測等其他低溫光學(xué)的應(yīng)用中，最受關(guān)注的是其在不同傳熱功率下，其熱負(fù)載的工作溫度與低溫制冷機(jī)的“冷頭”溫度之間的溫差。本文制冷機(jī)的“冷頭”溫度為與熱管冷凝器連接的冷板溫度。由此定義深低溫環(huán)路熱管的總熱阻為蒸發(fā)器氣體出口處管殼溫度與熱沉溫度之差比上所傳輸?shù)臒崃?，?/p>

式中：Q為蒸發(fā)器上加熱片的加熱功率。熱管在高真空絕熱環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，因此可以認(rèn)為加熱片的全部熱量通過熱管傳遞。

平板蒸發(fā)器在環(huán)路熱管中的應(yīng)用是本文研究重點(diǎn)，因此需要定義評價(jià)蒸發(fā)器性能的參數(shù)，定義蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度之差比上熱負(fù)載熱量為蒸發(fā)器熱阻，即

當(dāng)環(huán)路熱管傳輸熱量為5 W和10 W時(shí)，冷凝器溫度分別在70、80和90 K的總熱阻和蒸發(fā)器熱阻如圖6所示。

從圖6中可以看出，熱管的總熱阻和蒸發(fā)器熱阻隨著加熱功率和溫區(qū)的升高而降低，熱管能夠在70～100 K溫區(qū)工作，熱阻最低為0.8 K／W。其中熱阻隨工作溫區(qū)的上升的下降趨勢較為明顯，這是因?yàn)楣べ|(zhì)隨著溫度的升高，工質(zhì)的潛熱雖有所降低，但工質(zhì)的氣液密度比大幅上升，同時(shí)相同的飽和溫度變化引起的飽和壓力差也進(jìn)一步增大，使得其工質(zhì)品質(zhì)更利于熱管的運(yùn)行。熱負(fù)載的上升使得傳熱溫差進(jìn)一步上升，這是由需要更大的溫差繼而產(chǎn)生更大的飽和壓力差來推動(dòng)工質(zhì)更快的循環(huán)所造成的。但增加加熱功率后，從蒸發(fā)器到補(bǔ)償器的漏熱量沒有大的增加且均分給了更大流量的工質(zhì)，因此由顯熱傳熱造成的溫度上升有所下降，熱管的總熱阻及蒸發(fā)器的熱阻隨加熱功率的上升而降低。

圖6 熱阻隨工作溫區(qū)變化Fig.6 Variation of thermal resistance with operating temperature region

在常溫環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)中，傳熱熱阻會隨著熱負(fù)載的功率上升而先下降再上升，但在深低溫環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)中，這一拐點(diǎn)很難在測試中發(fā)現(xiàn)。其原因是區(qū)別于常溫環(huán)路熱管，深低溫環(huán)路熱管多出氣庫這一結(jié)構(gòu)。常溫?zé)峁艿臒嶝?fù)載增大會造成熱管的溫度上升，繼而造成熱管的內(nèi)部的壓力上升，使得熱管可以在高溫高壓下工作。雖然傳熱熱阻較大，但仍可以工作。而對于帶有氣庫的深低溫環(huán)路熱管，當(dāng)熱管蒸發(fā)器溫度隨功率增加升高后，由于氣庫體積巨大，其壓力上升有限，此時(shí)很容易造成蒸發(fā)器內(nèi)部壓力低于飽和壓力，造成蒸發(fā)器燒干，熱管喪失傳熱能力。

2.3 間歇性熱負(fù)荷對環(huán)路熱管運(yùn)行的影響

在深空探測等空間項(xiàng)目中，使用深低溫環(huán)路熱管進(jìn)行溫度控制的紅外探測器等載荷在實(shí)際運(yùn)行中，一般處于間歇性的工作狀態(tài)。因此環(huán)路熱管需要在熱負(fù)荷間歇周期性變化的情況下保持對載荷的有效控溫。圖7為環(huán)路熱管在間歇性熱負(fù)荷下的溫度變化。熱負(fù)荷變化周期為0.5 h，幅值為10 W。從圖中可以看出，熱管開始處于10 W的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，隨后周期性開關(guān)閉加熱。當(dāng)熱負(fù)載停止加熱時(shí)，蒸發(fā)器溫度下降，逐漸向冷凝器溫度靠近，保持在低溫環(huán)境下。當(dāng)關(guān)閉熱負(fù)載一段時(shí)間后施加熱負(fù)載，熱管的蒸發(fā)器溫度上升，隨后很快趨于穩(wěn)定。環(huán)路熱管在啟動(dòng)后停止工作后能夠再短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)再啟動(dòng)，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對載荷熱量的有效傳輸。這是因?yàn)樵跓嶝?fù)荷間斷時(shí)，環(huán)路熱管蒸發(fā)器內(nèi)存留足夠的液態(tài)工質(zhì)，再次受熱時(shí)毛細(xì)芯表面能夠生成蒸汽推動(dòng)工質(zhì)的循環(huán)，完成熱管的再次啟動(dòng)。因此液氮溫區(qū)平板型環(huán)路熱管可實(shí)現(xiàn)對間歇工作的紅外探測器等負(fù)載的有效溫度控制。

圖7 環(huán)路熱管間歇運(yùn)行溫度變化Fig.7 Intermittent operation temperature variation of loop heat pipe

3 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管基礎(chǔ)上，創(chuàng)新熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在冷凝管線上連接儲氣庫，同時(shí)采用氧化鋯陶瓷燒結(jié)材料替代傳統(tǒng)的泡沫金屬作為蒸發(fā)器的毛細(xì)芯，設(shè)計(jì)制造了液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管，并在深低溫環(huán)境下進(jìn)行傳熱特性及充液率研究。主要結(jié)論如下：

1）液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管啟動(dòng)時(shí)間較短，蒸發(fā)器降溫迅速且無溫度波動(dòng)現(xiàn)象。

2）液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管能夠在無重力輔助的情況下，傳輸15 W的熱量，最低傳熱熱阻小于0.8 K／W，同時(shí)有效減小了蒸發(fā)器與熱負(fù)載的接觸熱阻。

3）液氮溫區(qū)平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管能夠在載荷間歇性工作的情況穩(wěn)定載荷溫度，實(shí)現(xiàn)對載荷溫度的有效控制。