超親水毛細芯環(huán)路熱管啟動及熱性能分析

郭浩，紀獻兵，周儒鴻，彭家略，徐進良

（華北電力大學多相流與傳熱北京市重點實驗室，北京102206）

近年來，隨著電子產(chǎn)品高度集成化的發(fā)展，電子設備局部熱通量可達到102～103W/cm2[1]。如此高的熱通量嚴重影響了設備的安全運行，因此研究人員開發(fā)了各種換熱設備[2-5]。其中，環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）作為一種相變換熱設備，具有高效、穩(wěn)定的特點，已經(jīng)在航空航天、電子冷卻方面得到廣泛應用[6-7]。

在LHP 中，毛細芯是蒸發(fā)器的重要組成部分，不僅是工質發(fā)生相變的主要場所，而且提供了工質循環(huán)所需要的動力。毛細芯材質、孔徑及熱導率的差異對熱管換熱性能有重要影響，因此研究人員對毛細芯開展了大量的研究[8-9]。Wu 等[10]在研究中發(fā)現(xiàn)，鎳芯LHP 臨界熱負荷為500W，而采用聚四氟乙烯芯可有效降低LHP 的運行溫度及熱泄漏量，因此聚四氟乙烯芯LHP 臨界熱負荷可達600W，同時毛細芯具有燒結溫度低、燒結時間短等優(yōu)點。李強等[11]制備了雙層復合毛細芯：外層采用粒徑較細的鎳粉，內(nèi)層采用粒徑更大的不銹鋼粉進行燒結。實驗結果表明，采用復合結構毛細芯提升了環(huán)路熱管的最大熱通量，降低了熱管熱阻。

除了毛細芯的結構、材料會影響LHP 的熱性能外，毛細芯的潤濕性也是影響LHP 換熱性能的重要因素。提高毛細芯的潤濕性可從優(yōu)化工質與毛細芯性質兩方面入手。在工質選擇中研究人員著力開展了自濕潤流體方面的研究[12-15]。發(fā)現(xiàn)使用自濕潤流體作為工質可增加毛細芯內(nèi)工質的回流動力，防止高熱通量時毛細芯燒干現(xiàn)象的發(fā)生。在對毛細芯潤濕性的研究中，Li等[16]利用熱紅外成像技術對水等工質在銅粉毛細芯中的爬升進行了實驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氫氧化鈉溶液腐蝕的毛細芯具有更強的浸潤性，毛細力更大，工質易滲透到空隙內(nèi)部，從而有效提高工質在毛細芯內(nèi)爬升的高度，提升LHP 內(nèi)毛細芯的吸液能力。

在評價LHP 的綜合性能時，除了要求其具有良好的換熱性能，還要求LHP 能夠啟動迅速。因此相關學者對LHP 啟動過程中的相關現(xiàn)象進行了研究。Wang 等[17]研究了熱管低功率下啟動的溫度波動與毛細芯厚度的關系，發(fā)現(xiàn)增加毛細芯厚度能夠有效抑制LHP 啟動中的溫度波動。Huang 等[18]對熱管的啟動過程進行了分類，將其分為啟動失敗、波動啟動、溫度過沖啟動和正常啟動4 類，并對4種啟動模式進行了界定。胡卓煥等[19]研究了充液比對LHP 啟動波動性的影響，證明溫度振蕩是由內(nèi)部工質在蒸發(fā)器、冷凝器和輸運管路中的非均勻、非穩(wěn)定分布引起的。向佳佳等[20]同樣對啟動性能與充液比的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)路熱管在充液比為50%和60%時啟動較迅速，運行也較為穩(wěn)定，其穩(wěn)定運行時的溫差及熱阻都較小，而在充液比過大（大于70%）時啟動困難。

綜上所述，雖然已有許多學者對LHP 的熱性能及啟動特性進行了較為全面的研究，也對蒸發(fā)器內(nèi)毛細芯的材料、結構等因素對熱管換熱性能及啟動特性的作用進行了分析，但有關毛細芯表面結構及其潤濕性對LHP 性能的影響還有待進行深入研究，因此實驗制備了普通親水毛細芯環(huán)路熱管（親水LHP）和超親水毛細芯環(huán)路熱管（超親水LHP），并對兩者熱性能與傾斜角度和加熱功率的關系進行研究。

1 實驗系統(tǒng)與毛細芯制備

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1 為LHP 實驗系統(tǒng)圖，主要由加熱控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及LHP 實驗段構成。其中，LHP實驗段主要由蒸發(fā)器，冷凝器以及中間的連接管路組成。

蒸發(fā)器由熱導率良好的紫銅制成，外形為圓形，內(nèi)部含有3層毛細芯。冷凝器采用商用翅片冷凝器，并使用功率為5W的風扇進行冷卻。連接管路由紫銅管制成，其外徑為8mm，內(nèi)徑為6mm，冷凝器出口至補償腔段管路長度為300mm，同時為降低此處管路中液體滯留量，使用外徑6mm、內(nèi)徑4mm 的銅管。實驗中利用不銹鋼膜式加熱片作為模擬加熱源，對蒸發(fā)器進行加熱，加熱面積為A=5cm2，加熱功率通過直流變壓器進行調(diào)節(jié)并利用功率儀進行顯示。

圖1 實驗系統(tǒng)

實驗利用Omega K型熱電偶進行溫度測量，具體測溫點布置如圖1(b)～(d)所示，從蒸發(fā)腔底板中心出發(fā)，沿工質流動方向依次是Tc、Teout、Tcin、Tcout和Tcp，分別用于測量蒸發(fā)器中心、蒸發(fā)腔出口、冷凝器入口、冷凝器出口和補償腔溫度。為精確測量蒸發(fā)器出口和補償腔內(nèi)的溫度，將Tcp、Teout所對應的熱電偶探頭分別深入至蒸汽管道和補償腔中心。實驗研究了傾斜角度θ對LHP性能的影響。θ=90°代表蒸發(fā)腔處于冷凝器正下方；θ=-90°代表蒸發(fā)腔處于冷凝器正上方；θ=0°代表兩者處于同一高度。實驗中LHP 所用工質為蒸餾水，充液比為42.1%。

1.2 蒸發(fā)器毛細芯制備及表征

蒸發(fā)器內(nèi)的毛細芯共有3 層結構，包括2 層燒結毛細芯和1層吸水棉毛細芯。為降低毛細芯與蒸發(fā)器底板的接觸熱阻，將第一層毛細芯直接燒結在蒸發(fā)器底板上。燒結第一層毛細芯所使用紫銅顆粒為規(guī)則球形，粒徑dp=66.7μm。圖2(a)和2(b)顯示了燒結后的毛細芯結構。從圖2(a)中可發(fā)現(xiàn)球形銅粉經(jīng)過高溫燒結后，顆粒之間形成了微米級的小孔，顆粒間在燒結過程中形成脖頸，增強了顆粒之間的連接和換熱。圖2(b)是圖2(a)的局部放大，可發(fā)現(xiàn)顆粒表層較光滑。第二層毛細芯燒結在第一層毛細芯之上。燒結材料同樣為球形紫銅顆粒，不同點是粒徑較大，粒徑dp=110.5μm。毛細芯多孔介質中孔徑尺寸dep約等于0.21dp。因此粒徑增大后毛細芯中的孔隙會隨之增加，從而降低液體工質在滲透過程中的流動阻力。由于第一層毛細芯顆粒直徑較小，毛細力大。因此在第一層和第二層毛細芯間形成了毛細力梯度，增加了工質向第一層毛細芯流動的動力。第三層毛細芯為絕熱性能優(yōu)良并且吸水性強的吸水棉，其主要作用是降低毛細芯向補償腔的熱泄漏，并及時吸收補償腔內(nèi)的水分。

圖2 毛細芯電鏡圖

燒結好兩層毛細芯后，對兩層毛細芯進行超親水改性，方法為將毛細芯浸泡于質量分數(shù)為30%的H2O2中，室溫下避光密封浸泡3h，取出樣品后用大量去離子水沖洗，并用氮氣吹干。經(jīng)過H2O2氧化后，毛細芯的表面微結構發(fā)生了改變，如圖2(c)和(d)所示，氧化之后的毛細芯顆粒表層生成了許多納米級的片狀結構，增加了顆粒表面的粗糙度。這是由于H2O2和銅發(fā)生如下反應：Cu+H2O2→CuO+H2O+O2，因此在銅顆粒表面生成了納米級的氧化銅結構，且由于毛細芯經(jīng)H2O2氧化后的產(chǎn)物與銅基底是一體的，因此納米結構層與基底連接較為牢固，改性后的樣品經(jīng)開水煮沸3h 毛細芯吸液速度依舊良好，且接觸角測量顯示依舊為超親水狀態(tài)。經(jīng)壓汞儀（AutoPore Ⅳ9500）檢測，普通親水毛細芯和改性超親水毛細芯的孔隙率分別為32.1%和31.0%。由于毛細芯改性之后產(chǎn)生的表面納米結構相比于孔徑很小，因此表面改性對孔隙率影響不大。

2 數(shù)據(jù)處理

為對毛細芯吸液能力的大小進行量化表征，定義吸液過程中的殘留液滴體積為V，其大小通過式(1)進行計算[21]。

式中，D0為殘留液體鋪展最大直徑；h0為殘留液體高度。

通過環(huán)路熱管熱阻RLHP和傳熱系數(shù)HTC對LHP的換熱性能進行評價，熱阻RLHP定義見式(2)。

環(huán)路熱管傳熱系數(shù)定義見式(3)。

式中，Q為加熱功率；A為加熱面積。

實驗中溫度、功率的不確定度分別為0.3℃和0.5%，根據(jù)誤差傳遞定律[22]，變量M=f(X1,X2,…,Xn)的不確定度見式(4)。

變量M的相對不確定度見式(5)。

根據(jù)式(4)、式(5)計算熱阻及傳熱系數(shù)的不確定性分別為4.3%和5.9%。

3 結果分析與討論

3.1 毛細芯吸液性能

利用高速攝像儀對親水和超親水兩種毛細芯的吸液過程進行了拍攝，探究了吸液過程中液滴殘留體積的變化規(guī)律。實驗中液滴體積為1μL，高速攝像儀拍攝頻率為4500Hz。圖3顯示了親水和超親水兩種毛細芯的液滴吸液曲線。

圖3 液滴吸收曲線

從圖3中可發(fā)現(xiàn)，在液滴接觸到毛細芯后，殘留體積V迅速減小，隨著吸液的進行吸液速度逐漸降低。在吸液總時間方面，普通親水毛細芯的吸液時間約為9.46ms，而超親水毛細芯的吸液時間為5.94ms，總吸液時間減少了3.52ms。因此在經(jīng)過超親水改性之后，毛細芯吸液性能明顯提高，吸液速度加快。

超親水毛細芯吸液性能提高的原因在于：毛細芯吸液能力大小受毛細芯潤濕性、孔徑等綜合因素的影響。根據(jù)Yong-Laplace 方程[23][式(6)]可知，減小材料表面的接觸角αc可增大毛細芯的毛細力。

式中，σ為工質表面張力；αc為接觸角；dep為毛細芯孔徑。

由Wenzel 方程[24][式(7)]可知，接觸角αc由光滑表面接觸角α0和粗糙度r決定。

式中，r 定義為真實表面積與表觀幾何表面積之比。

在現(xiàn)實中，由于固體表面的真實表面積總是大于表觀幾何表面積，因此r值大于1。由式(7)可知，增大親水材料表面的粗糙度可減小接觸角αc。同時從圖2(c)、(d)可發(fā)現(xiàn)，毛細芯在經(jīng)過H2O2處理之后銅顆粒表面生成了大量納米級片狀結構，使得銅粉表面粗糙度r 增大，液體在其表面的接觸角αc減小。接觸角測量表明，液滴在未經(jīng)處理的親水表面和H2O2改性的超親水表面上的接觸角分別為63°和8°。因此增大了毛細芯內(nèi)的拉普拉斯力，大大提升了毛細芯的吸液速度。由于毛細芯吸液速度對工質在LHP 內(nèi)的循環(huán)以及工質在毛細芯內(nèi)的潤濕情況具有重要影響。因此毛細芯吸液性能的提升為LHP換熱性能增加提供了可靠保證。

3.2 毛細芯潤濕性對LHP熱性能的影響

在LHP中蒸發(fā)器中心溫度Tc最高，因此可用Tc表征LHP 的運行溫度。圖4 顯示了超親水毛細芯LHP 和親水毛細芯LHP 兩種類型環(huán)路熱管在傾斜角度分別為θ=0°和90°運行時毛細芯潤濕性對Tc值變化趨勢的影響，可發(fā)現(xiàn)，Tc隨Q的增加而逐漸上升。在θ和加熱功率Q相同時，超親水毛細芯LHP的運行溫度相比于親水毛細芯LHP 更低，當θ=90°、Q=200W 時，超親水毛細芯LHP 的Tc值僅為61.3℃，與親水毛細芯LHP相比減小了約6.0℃。

圖4 毛細芯潤濕性對Tc的影響

其原因在于毛細芯在經(jīng)過超親水表面改性之后，燒結顆粒表面形成了納米結構的片狀結構，粗糙度增加，并且相變面積增大，蒸發(fā)器內(nèi)的換熱得到增強。尤其在加熱功率Q較大時，親水毛細芯內(nèi)工質受熱不斷蒸發(fā)，若不能及時得到工質的補充潤濕，則會造成首層毛細芯內(nèi)溫度線的上移，甚至會出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象，導致相變面積的降低，工質分布不均，并增大了熱泄漏風險。而超親水毛細芯則由于表面潤濕性的改進，降低了液體在其表面的接觸角αc，增強了工質循環(huán)的驅動力，強化了工質在毛細芯表面的鋪展和潤濕。最終抑制了LHP 在大功率運行時毛細芯內(nèi)局部“燒干”現(xiàn)象的發(fā)生，提高了LHP的換熱性能。

3.3 毛細芯潤濕性對LHP啟動性能的影響

LHP 能否快速啟動是衡量LHP 換熱性能的重要指標。圖5 顯示了θ=0°、Q=20W 時親水毛細芯LHP 和超親水毛細芯LHP 兩種環(huán)路熱管的啟動曲線。從圖5(a)的親水毛細芯LHP溫度啟動曲線可看出，對蒸發(fā)器進行加熱之后，Tc迅速增大，毛細芯內(nèi)開始產(chǎn)生蒸汽并聚集在蒸發(fā)腔內(nèi)，當蒸汽由蒸發(fā)器出口排出時Teout突升，隨著毛細芯內(nèi)工質相變的進行，產(chǎn)生的蒸汽越來越多，推動工質向冷凝器方向運行，當蒸汽進入冷凝器時，Tcin升高并穩(wěn)定后，標志著啟動完成。圖5(b)中的超親水LHP溫度啟動曲線呈現(xiàn)出與5(a)相同的變化規(guī)律。但對比圖5(a)、(b)可發(fā)現(xiàn)，Q=20W 時親水毛細芯LHP 的啟動時間為201s，啟動溫度為39.3℃，而超親水毛細芯LHP的啟動時間約為168s，啟動溫度約為36.8℃。相比而言，超親水LHP 啟動溫度減小了2.5℃，啟動時間縮短了33s。因此超親水毛細芯改善了LHP的啟動性能。

圖5 熱管啟動曲線（Q=20W，θ=0°）

其原因在于超親水毛細芯LHP內(nèi)的毛細芯在經(jīng)過H2O2氧化之后，燒結顆粒表面粗糙度增加，改善了工質在毛細芯顆粒表面的鋪展與潤濕。根據(jù)Fritz[25]提出的關于氣泡脫離直徑和固液接觸角αc方程[式(8)]可知，Db隨著αc的減小而降低，因此經(jīng)過改性之后，超親水毛細芯中氣的氣泡脫離直徑減小。

式中，Db為氣泡脫離直徑；g 為重力加速度；σ為液體表面張力；ρl為液體密度；ρv為蒸汽密度。

而根據(jù)Zuber[26]提出的氣泡脫離直徑Db和脫離頻率fb關系式[式(9)]可知，在其他條件不變時，fb與Db成反比，故氣泡脫離直徑的減小增大了氣泡脫離的頻率。

因此超親水改性能降低毛細芯中的氣泡脫離周期和液體補充周期，加強了毛細芯與工質間的換熱。因此在相同加熱功率下，超親水毛細芯LHP的啟動時間更短。此外，毛細芯燒結顆粒親水性能的提高增大了毛細芯的毛細力，從而增大了工質循環(huán)的驅動力，改善了工質在LHP 內(nèi)的循環(huán)狀況，減小了運行阻力，降低了運行溫度。

3.4 傾斜角度對LHP熱性能的影響

圖6顯示了傾斜角度θ 對LHP 蒸發(fā)器中心溫度Tc值的影響。從圖6(a)、(b)中可看出，隨著θ 的減小，兩種LHP的Tc值逐漸增大。并且在加熱功率Q較小時，LHP在3種傾斜角度工作時的運行溫度相接近，而隨著加熱功率的上升，LHP 在θ=90°時的運行溫度相較于其他兩種傾斜角度時的溫度值較低：以親水毛細芯LHP 為例，當Q=100W、θ 為-90°和90°時，親水LHP 的Tc值分別為59.6℃和51.9℃，相差為7.7°C；Q=160W、θ 為-90°和90°時，Tc分別為75.0℃和60.7℃，兩者相差14.3℃。這一現(xiàn)象與莫東傳等[27]的實驗現(xiàn)象相吻合。而超親水毛細芯LHP 在相同功率不同角度運行時的Tc值之差值較親水毛細芯LHP 有所降低，同樣在Q=100W時，超親水毛細芯LHP在θ為-90°和90°時的Tc值之差為3.6℃，Q=160W、θ為-90°和90°時Tc值之差為6.6℃。

圖6 傾斜角度對Tc的影響

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于Q較小時，蒸發(fā)器內(nèi)液體補充較為充足，因此3 種傾斜角度下Tc相近。隨著加熱功率的增加，蒸發(fā)器內(nèi)工質相變換熱程度提高，此時蒸發(fā)器內(nèi)液體補充能力對LHP 性能的影響開始凸顯。LHP在運行過程中，內(nèi)部工質受重力影響易于在底部聚集，因此當θ=-90°時，液體從冷凝器出口回流至補償腔時需要克服兩點之間的重力壓差，大小為ρgh，其中h 為冷凝器出口和補償腔間的高度差。故循環(huán)阻力的增加降低了蒸發(fā)器內(nèi)工質的補充能力。而θ=90°時，重力轉變?yōu)轵寗庸べ|循環(huán)的動力，冷卻后的工質能夠在重力的作用下自發(fā)進入補償腔內(nèi)。因此蒸發(fā)器可得到及時冷卻，溫度得以降低。所以在Q 較大時，LHP 在θ=90°時運行更具優(yōu)勢。而由于超親水毛細芯能夠為工質的循環(huán)提供更大的毛細力，且毛細力的提高促進了工質在毛細芯內(nèi)部的擴展，提高了蒸發(fā)器內(nèi)工質的補充能力，因此超親水LHP在3種傾斜角度下的運行溫度較為接近，毛細芯親水性能的提高降低了傾斜角度對LHP運行溫度的影響。

3.5 熱管傳熱系數(shù)及熱阻

熱管傳熱系數(shù)和熱阻是衡量其傳熱性能的重要參數(shù)，圖7顯示了LHP傳熱系數(shù)HTC和熱阻RLHP在3種傾斜角度下隨加熱功率變化的曲線，從中可分析出以下3種規(guī)律。

圖7 傳熱系數(shù)及熱阻變化曲線

（1）從圖7(a)中可發(fā)現(xiàn)，超親水毛細芯LHP在不同θ 時的換熱系數(shù)大小有所差異：當θ=90°時傳熱系數(shù)HTC 整體較大，HTC 在Q=300W 時最大為35kW/(m2·K)，而θ=-90°時超親水毛細芯LHP 的HTC 最大值僅為26kW/(m2·K)。這是因為在工質循環(huán)中要受到重力的作用，當θ=90°時，冷凝后的液體可借助重力的作用回流到蒸發(fā)腔中，重力為工質循環(huán)的動力；而θ=-90°時，冷凝后的工質向補償腔運行過程中需要克服重力上升，循環(huán)阻力增大，熱阻增加，超親水LHP傳熱性能降低。

（2）對比圖7(a)中兩種LHP 在θ=90°時的傳熱系數(shù)HTC，發(fā)現(xiàn)Q 相同時，超親水毛細芯LHP 的HTC 值明顯較大。其原因在于超親水毛細芯LHP毛細芯顆粒表面存在的納米級片狀結構提高了毛細芯的親水性，因此其液體補充能力提高；密集的片狀結構不僅拓展了氣液界面面積，同時改善了液體在顆粒表面的鋪展和流動情況，從而有利于提高傳熱系數(shù)。

（3）圖7(b)從熱阻RLHP角度對LHP 換熱性能進行了分析。從圖7(b)顯示的熱阻RLHP變化中可發(fā)現(xiàn)，隨Q 的增加，RLHP值呈現(xiàn)出逐漸減小而后平穩(wěn)的趨勢：超親水毛細芯LHP在θ=90°、Q=40W時，RLHP=0.210K/W，Q=100W 時RLHP=0.154K/W，Q=300W 時RLHP=0.084K/W。其原因在于當Q 較小時，LHP 內(nèi)蒸汽產(chǎn)生量較少，而隨著Q的增加，產(chǎn)生的蒸汽量增多，促進了工質的循環(huán)，因此RLHP值逐漸減小，熱性能逐漸提高。在θ=90°時還可以觀察到，超親水毛細芯LHP的RLHP明顯小于同一工況的親水毛細芯LHP 熱阻值，因此無論從HTC 還是RLHP角度分析，超親水毛細芯LHP均具有優(yōu)良的換熱性能。

4 結論

利用H2O2氧化法對燒結毛細芯進行了超親水改性，并對親水毛細芯LHP 和超親水毛細芯LHP兩類環(huán)路熱管的換熱性能進行了研究，主要結論如下。

（1）燒結毛細芯經(jīng)H2O2氧化改性后，表面生成了許多片狀納米結構，毛細力增大，毛細芯的吸液速度得到了明顯提升。

（2）與親水毛細芯相比，超親水毛細芯能降低LHP的啟動溫度和時間，其原因在于超親水毛細芯提高了氣泡的脫離頻率，減小了氣泡脫離直徑，強化了LHP在啟動階段的換熱。

（3）經(jīng)H2O2氧化后毛細芯呈超親水性，增大了LHP 運行過程中的循環(huán)動力，促進了工質在毛細芯內(nèi)部的擴散，同時表面納米結構的產(chǎn)生增加了工質的換熱面積，從而提高了LHP的換熱能力。

（4）傾斜角度θ 對LHP 的熱性能有一定的影響，隨θ增加LHP的換熱性能逐漸提高。

符號說明