Y 形分叉流道圓盤(pán)狀冷凝器環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)及仿真研究

趙潤(rùn)澤 李南茜 閆凱芬 陸 燕

(1 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100039)

(2 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引 言

環(huán)路熱管是以蒸發(fā)器內(nèi)毛細(xì)芯的毛細(xì)壓力為驅(qū)動(dòng)力的兩相傳熱設(shè)備。環(huán)路熱管具有傳熱效率高、抗重力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、布置靈活等特點(diǎn)。隨著空間制冷機(jī)技術(shù)的日漸成熟,航天飛行器、低溫光學(xué)系統(tǒng)等使用制冷機(jī)與環(huán)路熱管集成將成為普遍的熱控手段,但因制冷機(jī)冷頭直徑較小,在空間實(shí)際應(yīng)用中,與之耦合的環(huán)路熱管需要實(shí)現(xiàn)大熱流密度下的冷量傳輸。

冷凝器是制冷機(jī)與熱管間換熱的核心,既是制冷機(jī)與熱管的熱交換單元,又是熱管的冷凝單元,是環(huán)路熱管研究的關(guān)鍵部件之一。目前常用的冷凝器是盤(pán)管式結(jié)構(gòu),在與制冷機(jī)集成時(shí),由于制冷機(jī)冷頭可連接面積有限,在大冷量傳輸時(shí),熱管冷凝器面積遠(yuǎn)大于制冷機(jī)冷頭面積,為此通常設(shè)置過(guò)渡冷板來(lái)實(shí)現(xiàn)與冷頭的耦合,這樣將帶來(lái)額外的冷量損失。目前,對(duì)環(huán)路熱管應(yīng)用中冷凝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化所做的研究較少。楊帆[1]在冷凝器內(nèi)部添加螺紋槽道,使冷凝器兼具類(lèi)似于次蒸發(fā)器的功能,提高了冷凝換熱效率;陳躍勇[2]設(shè)計(jì)了矩形并行微通道冷凝器,使用該冷凝器的乙烷工質(zhì)熱管樣機(jī)能在200 K 時(shí)傳遞50 W 熱量。Zhao[3]在過(guò)渡板內(nèi)部加工平行流道代替焊接,避免了焊接處的接觸熱阻;Bai[4]將冷凝器盤(pán)管焊接在圓柱形冷塊圓周上,解決了普通冷板與制冷機(jī)冷頭尺寸形狀不匹配的問(wèn)題。但是,以上研究在制冷機(jī)-環(huán)路熱管集成應(yīng)用時(shí)仍需冷板過(guò)渡連接,本研究通過(guò)設(shè)計(jì)與冷頭尺寸接近的小型圓盤(pán)狀高熱流密度冷凝器能實(shí)現(xiàn)與冷頭的直接耦合。

在高熱流密度小面積換熱方向,如電子散熱熱沉中常用的一種樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)流道,兼具換熱效率高、壓降較小、溫度分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)流道主流設(shè)計(jì)理論包括構(gòu)形理論和分形理論。應(yīng)用構(gòu)形理論設(shè)計(jì)傳熱系統(tǒng)首先由Bejan[5]提出,隨后Bejan 和Errera[6]使用構(gòu)形理論進(jìn)行了散熱流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作,從單點(diǎn)出發(fā)覆蓋整個(gè)體積的流道最終形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)。Chen[7]設(shè)計(jì)了矩形芯片分形散熱流道網(wǎng)絡(luò),并研究了流道壓降和傳熱特性。Pence[8]將分形理論應(yīng)用于圓盤(pán)狀散熱網(wǎng)絡(luò),建立了一維模型對(duì)樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)壓降和壁溫進(jìn)行預(yù)測(cè)。研究者們?cè)诖嘶A(chǔ)上對(duì)分形、構(gòu)形及樹(shù)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。徐國(guó)強(qiáng)[9]對(duì)樹(shù)狀構(gòu)形流道進(jìn)行改進(jìn),提出了Y 形構(gòu)形流道并對(duì)最佳分叉角、最佳結(jié)構(gòu)比例進(jìn)行了研究。Liu[10]和馬欣榮[11]分別針對(duì)矩形熱沉設(shè)計(jì)了T-Y 形流道和雙層Y形流道。Huang[12]使用數(shù)值仿真方法研究了不同管內(nèi)強(qiáng)化措施下的圓盤(pán)形Y型流道熱沉,流道布置采用上進(jìn)側(cè)出結(jié)構(gòu),冷卻液從上方垂直入射到熱沉中心并向圓周發(fā)散。Miguel[13]對(duì)不同尺寸約束下Y 形分形流道兩級(jí)間最佳尺寸比進(jìn)行了理論研究,通過(guò)使與流動(dòng)和傳熱相關(guān)的功耗最小化來(lái)獲得最優(yōu)尺寸。

目前為止,樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)流道主要應(yīng)用于芯片冷卻用熱沉中,形狀設(shè)計(jì)多為矩形或圓盤(pán)狀上進(jìn)側(cè)出結(jié)構(gòu),且集中應(yīng)用于泵驅(qū)動(dòng)流體回路中。本研究將Y型樹(shù)狀流道應(yīng)用于環(huán)路熱管冷凝器,根據(jù)冷凝器形狀對(duì)流道進(jìn)行了設(shè)計(jì),并通過(guò)CFD 仿真對(duì)流道結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行了優(yōu)化。由于環(huán)路熱管毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力較小,且需保證一定的流道長(zhǎng)度以使工質(zhì)充分冷凝,設(shè)計(jì)了側(cè)進(jìn)側(cè)出型的圓盤(pán)狀Y 形分叉流道冷凝器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真方法對(duì)熱管整體性能及冷凝器內(nèi)部流動(dòng)換熱進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

根據(jù)Murray 定律,當(dāng)兩級(jí)分叉管路直徑和長(zhǎng)度符合一定關(guān)系式時(shí),分形結(jié)構(gòu)壓降最小。根據(jù)該理論,Wechsatol[14]針對(duì)圓盤(pán)形熱沉內(nèi)部分形樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)提出了流道尺寸的最佳比例。

式中:D為流道的水力直徑,m;L為流道長(zhǎng)度,m;n為每個(gè)分支流道分叉處子流道的個(gè)數(shù);下標(biāo)i為分叉處母流道的流道級(jí)數(shù),i+1 為分叉處子流道的流道級(jí)數(shù)。

對(duì)于Y型結(jié)構(gòu)的分形網(wǎng)絡(luò),水力直徑最佳比例同樣遵循式(1),但由于每一級(jí)流道長(zhǎng)度包括水平段的母流道長(zhǎng)度和分叉段的子流道長(zhǎng)度,流道長(zhǎng)度比例遵循下式。

式中:下標(biāo)i表示第i級(jí)分支的母流道,下標(biāo)i1表示第i級(jí)分支內(nèi)的子流道。

為了貼近制冷機(jī)冷頭形狀及尺寸,設(shè)計(jì)圓盤(pán)狀冷凝器外徑為60 mm,厚度為10 mm,流道橫截面為矩形。選擇流道級(jí)數(shù)為4 級(jí),每級(jí)流道分支數(shù)為2,其中第4 級(jí)流道僅有水平段作為對(duì)稱(chēng)3 級(jí)流道之間的連接段。根據(jù)冷凝器尺寸限制及分叉Y 形流道的最佳尺寸比例,設(shè)計(jì)得到3 級(jí)側(cè)進(jìn)側(cè)出型流道,末端分支數(shù)為8,流道長(zhǎng)度比例及分叉角大小以末端分支均勻分布為設(shè)計(jì)原則,流道寬度比例按照式(1)所得最佳比例設(shè)計(jì)。

完成冷凝器加工后,組裝環(huán)路熱管并進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明Y 形分叉流道的冷凝器在大熱載下優(yōu)勢(shì)明顯,但在較低熱負(fù)載下,熱管的總熱阻偏大。以實(shí)驗(yàn)值為初始參數(shù)對(duì)冷凝器進(jìn)行了數(shù)值仿真優(yōu)化工作,使用ANSYS Fluent 進(jìn)行建模仿真,蒸發(fā)冷凝過(guò)程使用UDF 自編程建模。以冷凝器253 K,加熱功率20 W 工況下實(shí)驗(yàn)值作為仿真初始參數(shù)。冷凝器固體域包括進(jìn)口段管線、出口段管線及冷凝器殼體,設(shè)置殼體下表面為冷源面,其余各面均為絕熱邊界,固體域與流體域接觸面為熱耦合邊界。

冷凝器內(nèi)部氣相體積分?jǐn)?shù)分布如圖1 所示。入口過(guò)熱氣體進(jìn)入冷凝器內(nèi)部后逐漸降溫,在3 級(jí)流道處及4 級(jí)流道處,流體溫度逐漸低于相變溫度并進(jìn)入兩相區(qū)。在右側(cè)流出段分支流道,隨著兩相流被逐漸冷卻,流體轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄦蜗嗔?并在流動(dòng)過(guò)程中被進(jìn)一步冷卻為過(guò)冷液體。兩相段位于流道末端分支處,由于此時(shí)換熱面積增大、流動(dòng)速度降低,流體與壁面充分換熱,兩相段長(zhǎng)度較短,有利于冷凝器性能提升。

圖1 流道內(nèi)部相分布云圖Fig.1 Phase distribution inside channel

圖2 給出了流道中線上沿程壓力分布情況及分叉點(diǎn)1 附近速度分布云圖。在流道左側(cè)流入段3 處分叉點(diǎn)分別可見(jiàn)壓力回升現(xiàn)象,這是由于兩支子流道截面積之和大于母流道截面積,總流動(dòng)面積增大,速度降低。同樣的,在右側(cè)流出段合并點(diǎn)處存在壓力下降現(xiàn)象,壓降幅度相比流入段壓力回升的幅度更小,這是因?yàn)榱鞒龆蔚囊合嗔魉俣容^低。壓力回升現(xiàn)象使得分叉流道相比相同水力直徑、相同流道長(zhǎng)度的串行單管流道壓降更小。在速度分布云圖中分叉點(diǎn)處可以觀察到速度滯止點(diǎn)的存在,分叉后的高速流體沿子流道內(nèi)壁流動(dòng),子流道外壁處存在一定程度的回流,增大進(jìn)口速度后發(fā)現(xiàn)回流逐漸增強(qiáng)直至產(chǎn)生渦旋區(qū)域。由于冷凝器入口矩形流道與氣體管線圓形管線間有尺寸差異,流道的突縮導(dǎo)致速度陡增,表現(xiàn)為沿程壓力分布曲線中分叉點(diǎn)1 前的壓力突降。

圖2 沿程壓力分布曲線及分叉點(diǎn)1 附近速度分布云圖Fig.2 Pressure distribution curve along channel and velocity distribution near bifurcation point 1

對(duì)冷凝器的仿真結(jié)果表明,分叉流道有利于加強(qiáng)換熱和降低壓降,是有效的冷凝器流道結(jié)構(gòu),但是矩形流道導(dǎo)致的流道突縮會(huì)造成冷凝器性能的惡化。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)流道截面進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)了橢圓截面的Y 形分叉流道冷凝器,冷凝器結(jié)構(gòu)透視效果及側(cè)進(jìn)側(cè)出Y 形流道結(jié)構(gòu)如圖3 所示,各分支詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1,其中Da為橢圓長(zhǎng)軸,Db為橢圓短軸。由于分叉流道左側(cè)流入段和右側(cè)流出段關(guān)于垂直中線對(duì)稱(chēng),故只給出流入段流道尺寸參數(shù)。由于流道分支數(shù)較多,每級(jí)流道半徑變化較大,因此采用3D 打印一體成型的加工方式,材料為鋁6061,材料粒度15—33 μm,成型致密度99%。

圖3 3D 打印冷凝器Fig.3 3D printing condenser

表1 Y 形流道幾何參數(shù)表Table 1 Structural characteristics of Y-shaped channels

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

熱管蒸發(fā)器殼體、補(bǔ)償器、氣體管線、液體管線均為銅材質(zhì),蒸發(fā)器尺寸為Φ20 mm ×80 mm,氣液管線長(zhǎng)度分別為990 mm 和690 mm,總?cè)莘e為44.895 ml。工質(zhì)采用丙烯,充裝量15.499 g,283 K 溫度下充液率為65%。為減小熱管與環(huán)境之間的漏熱,實(shí)驗(yàn)在真空罐內(nèi)進(jìn)行,真空度小于10-3Pa,同時(shí),熱管各部件均包裹多層絕熱材料。冷凝器溫度由耦合的兩級(jí)脈管制冷機(jī)控制,蒸發(fā)器熱源由50 mm ×50 mm/20Ω薄膜加熱片提供。采用鉑電阻溫度計(jì)對(duì)熱管各部件進(jìn)行測(cè)溫,測(cè)點(diǎn)分布及熱管結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 LHP1 結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.4 Structure and temperature measuring points distribution of LHP1

為了對(duì)比小型化設(shè)計(jì)后的Y 形流道冷凝器與常規(guī)冷凝器的性能,在原熱管的基礎(chǔ)上更換上常規(guī)壓管式渦旋形冷凝器并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),管線內(nèi)徑與分叉流道最大直徑相同,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算50 W 傳熱量所需的冷凝器管線長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)得到冷凝器尺寸為120 mm ×120 mm。兩根熱管分別編號(hào)LHP1(Y 形流道冷凝器熱管)和LHP2(壓管式渦旋冷凝器熱管),充液率相同。兩種冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。由于壓管式渦旋冷凝器形狀為矩形且尺寸遠(yuǎn)大于制冷機(jī)冷頭,為了保證較好的熱均勻性,在冷凝器和冷頭之間需要使用尺寸與冷凝器相近的銅板過(guò)渡連接。

表2 兩種冷凝器參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of two condensers

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 降溫與啟動(dòng)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟前對(duì)真空罐抽真空,罐內(nèi)真空度達(dá)到1 ×10-2Pa 后開(kāi)啟制冷機(jī)對(duì)環(huán)路熱管冷凝器進(jìn)行降溫。圖5 為L(zhǎng)HP1 在冷凝器223 K 工況下的降溫及啟動(dòng)曲線。制冷機(jī)開(kāi)機(jī)后,冷凝器及冷凝器進(jìn)出口溫度迅速下降,冷凝器溫度接近223 K 時(shí),對(duì)薄膜加熱片輸入5 W 的功率。蒸發(fā)器吸熱后溫度略有上升,毛細(xì)芯內(nèi)液態(tài)工質(zhì)吸熱蒸發(fā)并進(jìn)入氣體管線,隨后經(jīng)過(guò)氣體管線進(jìn)入冷凝器并推動(dòng)其中的冷凝液體進(jìn)入液體管線,導(dǎo)致氣體管線和冷凝器入口溫度顯著提升,液體管線溫度加速下降;隨著蒸發(fā)器內(nèi)部工質(zhì)的持續(xù)蒸發(fā),冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)逐漸流入蒸發(fā)器核心和補(bǔ)償器,蒸發(fā)器和補(bǔ)償器的溫度逐漸下降。工質(zhì)在熱管內(nèi)部形成循環(huán),環(huán)路熱管啟動(dòng)。由于5 W 時(shí)加熱功率較小,毛細(xì)芯內(nèi)產(chǎn)生的毛細(xì)壓力較小,熱管穩(wěn)定所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng),在確認(rèn)熱管啟動(dòng)后,將加熱功率增大到10 W。各測(cè)點(diǎn)溫度穩(wěn)定后,加熱功率以10 W 為步長(zhǎng)逐漸增大,調(diào)整制冷機(jī)功率將冷凝器控制在工況要求溫度下。

圖5 LHP1 降溫啟動(dòng)曲線Fig.5 Start-up process of LHP1

3.2 穩(wěn)態(tài)傳熱性能對(duì)比分析

LHP1 及LHP2 在不同冷凝器溫度下均能順利啟動(dòng),通過(guò)調(diào)整制冷機(jī)功率分別控制冷凝器溫度為283 K、253 K、223 K,在蒸發(fā)器端施加不同的加熱功率,研究熱管在穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)各部分溫度變化及熱阻變化。環(huán)路熱管熱阻計(jì)算為:

式中:R為環(huán)路熱管熱阻,K/W;Te為蒸發(fā)器溫度,K,即測(cè)點(diǎn)T3;Tc為冷凝器溫度,K,即測(cè)點(diǎn)T7、T8的平均值;Q為熱負(fù)荷,W。

圖6 為冷凝器溫度253 K 熱管穩(wěn)態(tài)溫度及熱阻分布,其中,(a)為L(zhǎng)HP1,(b)為L(zhǎng)HP2。對(duì)于LHP1,蒸發(fā)器施加5 W 加熱功率啟動(dòng)后,將加熱功率增大至10 W 以加速穩(wěn)定,加熱功率每次增加10 W,由于薄膜加熱片最大熱流密度不宜超過(guò)3 W/ cm2,因此最大功率為70 W;對(duì)于LHP2,蒸發(fā)器施加5 W 加熱功率啟動(dòng)后,加熱功率每次增大5 W,由于蒸發(fā)器溫度過(guò)高,因此最大功率為40 W,整個(gè)過(guò)程中兩種熱管均正常工作。對(duì)于LHP1,當(dāng)加熱功率不大于60 W時(shí),LHP1 的溫差隨加熱功率的增大逐漸降低,這說(shuō)明冷凝氣液分界面處于冷凝器內(nèi)部,在兩相段之后存在過(guò)冷液態(tài)工質(zhì),液態(tài)工質(zhì)的過(guò)冷度足以平衡蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱量以保持蒸發(fā)端溫度的相對(duì)穩(wěn)定,同時(shí)隨著加熱功率增加,工質(zhì)流速增大,液體管線段的漏熱量降低,導(dǎo)致蒸發(fā)端溫度隨著加熱功率的增加而降低。加熱功率大于60 W 時(shí),氣液界面接近冷凝器出口,液態(tài)工質(zhì)過(guò)冷度不足以彌補(bǔ)補(bǔ)償器吸收的漏熱量,蒸發(fā)器溫度和補(bǔ)償器溫度明顯上升,同時(shí)冷凝器出口溫度高于冷凝器壁面溫度,工質(zhì)在冷凝器內(nèi)未能充分冷凝。結(jié)果表明Y 形流道冷凝器的冷凝能力大于60 W。隨著加熱功率升高,LHP1 的熱阻在工況范圍內(nèi)逐漸降低并基本穩(wěn)定在0.4 K/W。對(duì)于LHP2,蒸發(fā)端溫度隨加熱功率增大而逐漸升高,冷凝器出口溫度較為穩(wěn)定,但是由于流阻較大,工質(zhì)流速較低,液體管線段的漏熱導(dǎo)致補(bǔ)償器和蒸發(fā)器溫度迅速上升,熱管熱阻隨加熱功率增大先減小后穩(wěn)定在1.2 K/W。對(duì)比可得,LHP1 具有更大的傳熱量和更小的傳熱熱阻,其性能明顯優(yōu)于LHP2。

圖6 穩(wěn)態(tài)溫度及熱阻分布圖(冷凝器溫度253 K)Fig.6 Distribution of steady state temperature and thermal resistance (condenser temperature at 253 K)

為了更清晰地對(duì)比LHP1 與LHP2 的穩(wěn)態(tài)傳熱熱阻,圖7 給出了LHP1 和LHP2 在3 個(gè)不同冷凝器溫度下熱阻隨加熱功率的變化曲線。結(jié)果表明,兩種冷凝器環(huán)路熱管熱阻均隨冷凝器工作溫度升高而減小,這是因?yàn)?在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),隨著工作溫度上升,丙烯工質(zhì)在蒸發(fā)器補(bǔ)償器之外的理論環(huán)路壓降降低,根據(jù)壓差平衡,蒸發(fā)器和補(bǔ)償器之間的飽和壓差、對(duì)應(yīng)的飽和溫差及漏熱量隨之減小,蒸發(fā)器和補(bǔ)償器的工作溫度也越低,從而導(dǎo)致環(huán)路熱管傳熱熱阻降低。實(shí)驗(yàn)值與丙烯工質(zhì)傳熱效率品質(zhì)因數(shù)所指出的熱管熱阻趨勢(shì)一致。對(duì)于LHP1,隨著加熱功率增大,熱阻逐漸降低并進(jìn)入穩(wěn)定熱導(dǎo)區(qū);對(duì)于LHP2,在冷凝器溫度223 K 時(shí),其熱阻變化趨勢(shì)與LHP1 一致,但在冷凝器溫度253 K 和283 K 時(shí),傳熱熱阻隨加熱功率增加先減小后增大,最小傳熱熱阻均出現(xiàn)在15—20 W 加熱功率下。加熱功率小于30 W 時(shí),LHP2 較LHP1 具有更低的熱阻;加熱功率不小于30 W 時(shí),LHP1 的傳熱熱阻顯著低于LHP2。在熱阻值基本穩(wěn)定后,LHP1在283 K、253 K、223 K 下的最小傳熱熱阻分別為0.34 K/W、0.42 K/W、0.56 K/W,LHP2 對(duì)應(yīng)的最小傳熱熱阻分別為0.24 K/W、0.77 K/W、1.63 K/W。在低溫大冷量傳輸應(yīng)用時(shí),Y 形流道冷凝器環(huán)路熱管有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同冷凝器溫度下LHP1/LHP2 熱阻對(duì)比圖Fig.7 Comparison of thermal resistance for LHP1/LHP2 at different condenser temperatures

對(duì)制冷機(jī)冷頭和環(huán)路熱管冷凝器分別測(cè)溫,得到冷頭與冷凝器間的耦合傳熱溫差,該溫差由冷頭-過(guò)渡銅板-冷凝器間的熱損失造成,隨熱管熱負(fù)荷增加而線性增大,耦合傳熱熱阻約為0.4 K/W。在功率較大時(shí),該熱阻大小與環(huán)路熱管熱阻比較接近,由過(guò)渡銅板帶來(lái)的額外熱損失不可忽略。

3.3 冷凝器性能分析

熱管整體熱阻主要來(lái)自于冷凝器熱阻,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明冷凝器熱阻在熱管總熱阻中占比超過(guò)50%,因此有必要對(duì)冷凝器部件熱阻進(jìn)行進(jìn)一步研究,冷凝器熱阻(K/W)為:

式中:Tin和Tout分別對(duì)應(yīng)冷凝器進(jìn)出口溫度,K,即測(cè)點(diǎn)T6和T9;Qc為冷凝器熱負(fù)荷,W。

定義冷凝器熱阻率εc,K·m/W,即為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)為:

式中:S為冷凝器與冷源換熱面面積,m2;δ為冷凝器厚度,m。通過(guò)定義冷凝器熱阻率,可以在不考慮冷凝器尺寸形狀的情況下衡量冷凝器本身?yè)Q熱能力的大小,熱阻率越小,表征冷凝器本身?yè)Q熱能力越強(qiáng)。

圖8 為冷凝器253 K 時(shí)兩種冷凝器的熱阻率。Y形流道冷凝器的熱阻率隨熱負(fù)荷上升逐漸降低并趨于穩(wěn)定,渦旋形冷凝器熱阻率隨熱負(fù)荷上升先下降后升高,并在35 W 以上時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定。在熱負(fù)荷小于15 W時(shí),兩種冷凝器的熱阻率較為接近;熱負(fù)荷大于15 W 時(shí),渦旋形冷凝器的熱阻率迅速增大,Y形流道冷凝器的熱阻率遠(yuǎn)低于渦旋形冷凝器,在40 W熱負(fù)荷下,其熱阻率分別為0.07 和1.22。結(jié)果表明,在大冷量的應(yīng)用場(chǎng)合下,Y 形流道冷凝器的換熱能力遠(yuǎn)大于常規(guī)渦旋形冷凝器,Y型流道冷凝器在大冷量傳輸方面有更高的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 2 種冷凝器熱阻率對(duì)比圖(冷凝器溫度253 K)Fig.8 Comparison of thermal resistance rates of two condensers(condenser temperature at 253 K)

4 結(jié) 論

應(yīng)用Y 形分叉流道,設(shè)計(jì)了環(huán)路熱管小型圓盤(pán)狀冷凝器,通過(guò)CFD 仿真對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,使用3D 打印技術(shù)一體化加工。對(duì)安裝分叉冷凝器和渦旋冷凝器的熱管LHP1、LHP2 進(jìn)行不同冷凝器溫度下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,得到以下結(jié)論:

(1)Y 形流道冷凝器可直接與制冷機(jī)冷頭耦合,避免通過(guò)過(guò)渡板傳熱的熱損失(本研究中耦合傳熱熱阻0.4 K/W)和額外的重量負(fù)擔(dān),同時(shí)面積小、重量輕,可以有效促進(jìn)環(huán)路熱管與制冷機(jī)集成熱控系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)。

(2)使用Y 形分叉流道冷凝器的環(huán)路熱管最大傳熱量大于90 W,冷凝器溫度283 K/ 253 K/ 223 K下的最小傳熱熱阻分別為0.34 K/W、0.42 K/W、0.56 K/W,其最大傳熱量和傳熱熱阻均遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)渦旋冷凝器的環(huán)路熱管。