金屬3D打印復(fù)合毛細(xì)芯孔徑配比對(duì)環(huán)路熱管特性影響

胡卓煥，袁成偉，許佳寅，羅婷，周志杰

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

熱管作為一種高效的兩相傳熱裝置，廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，但在運(yùn)行中也會(huì)出現(xiàn)一些問題，如毛細(xì)極限、夾帶極限、沸騰極限、黏性極限等，這些問題限制了熱管的傳熱性能。1971 年，蘇聯(lián)Maidanik 等因傳統(tǒng)的環(huán)路熱管傳熱性能受距離和冷熱源方位的制約，提出了環(huán)路熱管（LHP）。與傳統(tǒng)熱管相比，LHP將蒸汽和液體的流動(dòng)分離，避免了汽液夾帶現(xiàn)象，還將貫穿整個(gè)熱管的毛細(xì)芯安裝在蒸發(fā)器內(nèi)部，有效降低了工質(zhì)的流動(dòng)阻力，使傳熱能力進(jìn)一步提升，因此LHP 在化工領(lǐng)域如空調(diào)換熱器、電子器件散熱以及余熱回收等方面被廣泛應(yīng)用，此外還有利于提高化學(xué)產(chǎn)品的質(zhì)量，減小能源消耗，例如在催化劑層中放置LHP，可控制合適的反應(yīng)溫度從而提高除氨轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化效率，更可以改善固氣吸附反應(yīng)的傳熱。

在整個(gè)環(huán)路熱管系統(tǒng)中，位于蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯是核心部件，許多學(xué)者的研究也圍繞其展開。目前，常用的毛細(xì)芯有金屬粉末燒結(jié)芯和網(wǎng)狀毛細(xì)芯，燒結(jié)芯是以銅、鎳、不銹鋼及鈦等金屬粉末為原材料燒結(jié)而成的毛細(xì)芯，但燒結(jié)的毛細(xì)芯存在孔穴形狀不規(guī)律、孔徑分布隨機(jī)性強(qiáng)以及部分孔穴封閉的缺點(diǎn)；網(wǎng)狀芯雖然形狀規(guī)律，孔徑較大，但孔穴形狀過于單一。另外還有碳纖維芯、聚合物芯、陶瓷芯等多種毛細(xì)芯可裝載入環(huán)路熱管。然而這些研究大都采用單層毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，難以同時(shí)滿足LHP 內(nèi)的工質(zhì)輸送以及蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的高效蒸發(fā)，為消除或減小平板蒸發(fā)器的熱泄漏以及提高環(huán)路熱管的傳熱性能，復(fù)合毛細(xì)芯成為了毛細(xì)芯發(fā)展新方向。Li 等對(duì)一種在燒結(jié)銅粉上分布納米結(jié)構(gòu)的多尺度復(fù)合毛細(xì)芯進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)較大的粉體尺寸和不規(guī)則的粉體類型有利于液體的輸送，粉末表面的納米結(jié)構(gòu)可以提高工作流體的輸送速度。王金新提出一種球形-樹形粉末復(fù)合毛細(xì)芯，對(duì)其研究后發(fā)現(xiàn)金屬粉末材料對(duì)毛細(xì)芯微觀結(jié)構(gòu)及有效熱導(dǎo)率的影響最大，且如果樹形粉末增加，毛細(xì)芯臨界熱負(fù)荷增大。柳洋等對(duì)沿工質(zhì)流動(dòng)方向孔徑遞增和孔徑遞減的兩種復(fù)合毛細(xì)芯進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)：相比于孔徑遞增的毛細(xì)芯，孔徑遞減的毛細(xì)芯表現(xiàn)出更好的換熱特性和更低的表面溫度。胡卓煥等提出了一種既能有效蒸發(fā)又能有效滲透的雙層復(fù)合毛細(xì)芯，以消除高負(fù)荷下毛細(xì)芯的熱泄漏問題，裝載優(yōu)化后的毛細(xì)芯后，環(huán)路熱管可在120s 內(nèi)穩(wěn)定啟動(dòng)，其傳熱性能也得到了提升。

本文采用金屬3D 打印技術(shù)制備不同孔徑的不銹鋼毛細(xì)芯。3D 打印毛細(xì)芯不僅形狀規(guī)律，且大小及孔徑均可自行設(shè)計(jì)，具有較大的幾何自由度，避免了傳統(tǒng)燒結(jié)毛細(xì)芯的高隨機(jī)性、孔徑分布不均和孔穴封閉的問題。因此本文通過對(duì)不同孔徑的金屬3D 打印雙層復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行特性進(jìn)行研究，分析復(fù)合毛細(xì)芯對(duì)環(huán)路熱管啟動(dòng)和運(yùn)行的影響。

1 LHP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及輔助裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文采用的環(huán)路熱管為平板型環(huán)路熱管，主要由蒸發(fā)器、蒸汽管道、冷凝器和液體管道組成，見圖1(a)。蒸汽管道材料為聚四氟乙烯。冷凝器由翅片冷凝器和風(fēng)扇組成，管道為銅制管道并在下方連接小型風(fēng)扇以強(qiáng)化冷凝效果，液體管道采用不銹鋼材料，圖1(b)為L(zhǎng)HP實(shí)物圖。蒸發(fā)器作為整個(gè)LHP系統(tǒng)的核心部件，由蒸發(fā)器外殼、毛細(xì)芯及加熱底板組成。加熱底板由黃銅制成，上部采用線切割加工出6 個(gè)橫截面為2mm×3mm 的蒸汽槽道。底部為加熱塊，從底部插入3 根加熱棒模擬加熱源，見圖1(c)。系統(tǒng)中各個(gè)連接處采用卡套接頭進(jìn)行密封連接。實(shí)驗(yàn)采用的工質(zhì)為去離子水。

毛細(xì)芯是蒸發(fā)器中的核心元件，它將蒸發(fā)器內(nèi)部分為上部?jī)?chǔ)液槽和下部蒸發(fā)區(qū)兩個(gè)部分，工質(zhì)在蒸發(fā)區(qū)內(nèi)被加熱蒸發(fā)成蒸汽，形成的蒸汽經(jīng)過蒸汽管道再進(jìn)入冷凝器冷凝成液體，最后液體經(jīng)過液體管道回流入儲(chǔ)液槽，通過毛細(xì)芯受熱再次蒸發(fā)。

為了測(cè)試環(huán)路熱管的傳熱性能，用T形熱電偶在LHP 系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處測(cè)得溫度，熱電偶的直徑為1.6mm，溫度測(cè)量誤差為±0.5℃，圖1(a)、(c)中標(biāo)明了各測(cè)溫點(diǎn)，包括蒸發(fā)器出口溫度（）、冷凝器進(jìn)口溫度（）、冷凝器出口溫度（）及蒸發(fā)器壁溫（為～的平均值）。

圖1 LHP系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)的輔助裝置

輔助裝置主要包括恒溫箱、真空泵、充灌系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器和直流電源。LHP系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)需要用恒溫箱保證一定的環(huán)境溫度，并且使用真空泵形成LHP 運(yùn)行所需的真空。充灌系統(tǒng)中為去除工質(zhì)中的不凝性氣體，將去離子水放入儲(chǔ)液罐中煮沸2～3h后，通入滴定管冷卻至室溫以后再緩慢加入到環(huán)路熱管系統(tǒng)中，充灌率為50%。數(shù)據(jù)采集器為Agilent34972A，用其連接熱電偶測(cè)得溫度，為確保測(cè)得的溫度不受管壁的影響，、、處的熱電偶伸入管路中心。數(shù)據(jù)采集頻率為2s 一次，每個(gè)加熱功率下的加熱時(shí)間為20min，共采集600次。采用EA-PSI 9200-25 可編程直流電源，調(diào)整輸入功率對(duì)加熱塊進(jìn)行加熱。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

首先將毛細(xì)芯裝入LHP 系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)并用真空泵使LHP 系統(tǒng)獲得實(shí)驗(yàn)所需的真空度，其次將煮沸后的去離子水按照50%的充灌率充灌進(jìn)LHP的蒸發(fā)器內(nèi)，完成實(shí)驗(yàn)前預(yù)處理，然后開啟恒溫箱控制環(huán)境溫度，待環(huán)境溫度穩(wěn)定至20℃±1℃后，打開冷凝器下方風(fēng)扇并開啟直流電源驅(qū)動(dòng)內(nèi)置加熱棒對(duì)加熱塊進(jìn)行加熱，等待LHP 啟動(dòng)。在等待過程中，開始明顯攀升表明蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽傳遞至冷凝器進(jìn)口，并將該時(shí)刻定義為蒸發(fā)形成時(shí)間；開始明顯攀升表明蒸汽已傳遞至冷凝器出口，完成循環(huán)，將該時(shí)間定義為L(zhǎng)HP啟動(dòng)時(shí)間。LHP成功啟動(dòng)后，通過增加熱負(fù)荷研究復(fù)合毛細(xì)芯對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響，LHP在熱負(fù)荷為20W啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行后，將熱負(fù)荷逐級(jí)增加20W 至140W，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)環(huán)路熱管的原理，將環(huán)路熱管的熱阻及傳熱系數(shù)作為衡量LHP系統(tǒng)傳熱性能的指標(biāo)。

LHP傳熱系數(shù)如式(1)所示。

式中，為蒸發(fā)器的加熱功率；為毛細(xì)芯的有效加熱面積；為蒸發(fā)器壁面溫度；為蒸汽溫度，由于蒸汽管道采用聚四氟乙烯材料，熱導(dǎo)率較低，因此可以被看作蒸發(fā)器出口溫度。

LHP熱阻如式(2)所示。

式中，為蒸發(fā)器壁面溫度；為冷凝器平均溫度；為冷凝器進(jìn)口溫度；為冷凝器出口溫度；為蒸發(fā)器的加熱功率。

本實(shí)驗(yàn)所測(cè)物理量采用Kline 和McClintock 的相對(duì)不確定度分析法，對(duì)于LHP 熱阻（）及LHP 傳熱系數(shù)（）兩種間接測(cè)量的物理量，則進(jìn)行誤差傳遞計(jì)算。LHP傳熱系數(shù)，在低熱負(fù)荷下相對(duì)不確定度較高，為±7.4%，在高熱負(fù)荷下較低，為±2.3%。實(shí)驗(yàn)中各數(shù)據(jù)的最大相對(duì)不確定度，列于表1。

表1 各物理量最大相對(duì)不確定度一覽

2 金屬3D打印毛細(xì)芯及復(fù)合毛細(xì)芯

2.1 金屬3D打印毛細(xì)芯的制備

本文中的毛細(xì)芯采用金屬3D 打印技術(shù)進(jìn)行制備，目前主流的金屬3D 打印技術(shù)一共包括5種：SLS、NPJ、SLM、LENS、EBSM。綜合比較各自特點(diǎn)后，本實(shí)驗(yàn)選擇SLM（激光選區(qū)熔化）技術(shù)制備毛細(xì)芯。首先采用建模軟件設(shè)計(jì)出零件的實(shí)體模型，然后通過切片軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，再由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，金屬3D 打印設(shè)備按照這些填充掃描線，控制激光束選取熔化各層的金屬粉末材料，逐層堆疊成三維金屬零件。

本文建立整體框架為在、、三個(gè)方向上排列較為密集的圓柱，三個(gè)方向的圓柱兩兩相互垂直，每根圓柱的直徑為400μm，圓柱之間的間距為孔徑，見圖2。圖3為建模完成后毛細(xì)芯的整體結(jié)構(gòu)。

圖2 毛細(xì)芯的框架結(jié)構(gòu)

圖3 毛細(xì)芯的整體結(jié)構(gòu)

建模完成后，將3D 模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片，根據(jù)金屬3D 打印設(shè)備的參數(shù)，切片厚度為20μm。切片完成后，選擇利用激光選區(qū)熔化技術(shù)的HBD-100金屬3D打印機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)導(dǎo)入切片文件后連接打印機(jī)進(jìn)行打印。打印材料選用316L不銹鋼。打印完成后得到的毛細(xì)芯在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將打印完成的毛細(xì)芯清洗并烘干后再裝入環(huán)路熱管中的蒸發(fā)器。表2 為3D 打印機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表2 3D打印機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖4為復(fù)合毛細(xì)芯的光學(xué)顯微鏡微觀圖，其中圖4(a)～(c)分別為同等放大區(qū)域下孔徑100μm、200μm、300μm一側(cè)的微觀形貌圖。

圖4 毛細(xì)芯微觀形貌圖

2.2 金屬3D打印復(fù)合毛細(xì)芯

單一孔徑的毛細(xì)芯難以同時(shí)滿足兩相工質(zhì)的蒸發(fā)、輸送及抑制熱泄漏等要求，因此本文對(duì)復(fù)合毛細(xì)芯上下層孔徑的配比進(jìn)行研究。

本節(jié)為將上下兩層不同孔徑的復(fù)合毛細(xì)芯裝載入蒸發(fā)器，并實(shí)驗(yàn)研究環(huán)路熱管的啟動(dòng)特性與傳熱性能。復(fù)合毛細(xì)芯的上層為吸液層，下層為蒸發(fā)層，每層厚度為2.5mm，總厚度為5mm。為研究蒸發(fā)層與吸液層孔徑配比對(duì)LHP 的影響，將孔徑200μm、厚度5mm 的單層毛細(xì)芯作為基礎(chǔ)，然后改變吸液層及蒸發(fā)層的孔徑進(jìn)行研究。表3為5組復(fù)合毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖5為上層200μm、下層100μm的金屬3D打印復(fù)合毛細(xì)芯實(shí)物。

圖5 毛細(xì)芯實(shí)物圖

表3 復(fù)合毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)

毛細(xì)芯的孔隙率為毛細(xì)芯孔穴的總體積與毛細(xì)芯表觀體積的比值。計(jì)算孔隙率的方法采用直接測(cè)量法，通過毛細(xì)芯的質(zhì)量以及制備毛細(xì)芯材料的密度就可以獲得孔隙率ε，如式(3)所示。

式中，為毛細(xì)芯樣品的質(zhì)量；為毛細(xì)芯的半徑；為毛細(xì)芯的厚度；為毛細(xì)芯材料的密度，毛細(xì)芯材料為316L不銹鋼，=7.98g/cm。

毛細(xì)芯輸送工質(zhì)的能力可用滲透率K表示，由毛細(xì)芯的孔徑及孔隙率計(jì)算得出，如式(4)所示。

式中，為毛細(xì)芯孔徑；為毛細(xì)芯孔隙率；為常數(shù)，其值通常由實(shí)驗(yàn)確定，對(duì)于3D 打印的多孔結(jié)構(gòu)，取值為122。

3 復(fù)合毛細(xì)芯上下層孔徑配比對(duì)LHP運(yùn)行的影響

3.1 吸液層結(jié)構(gòu)對(duì)LHP運(yùn)行的影響

本節(jié)為研究吸液層孔徑對(duì)LHP 啟動(dòng)及運(yùn)行性能的影響，在蒸發(fā)層孔徑不變的情況下，將表3中的毛細(xì)芯A、B、C 按照吸液層孔徑從大到小的順序，排列為毛細(xì)芯B、A、C。

3.1.1 啟動(dòng)性能

圖6為毛細(xì)芯B、A、C的啟動(dòng)性能圖，整個(gè)啟動(dòng)過程包括蒸發(fā)響應(yīng)階段和工質(zhì)循環(huán)階段。當(dāng)冷凝器進(jìn)口溫度（）開始較大幅度地攀升，說明蒸發(fā)器中開始產(chǎn)生蒸汽，LHP蒸發(fā)開始形成，當(dāng)冷凝器出口溫度（）開始較大幅度地攀升，說明工質(zhì)完成循環(huán)，LHP啟動(dòng)成功。表4為毛細(xì)芯B、A、C的啟動(dòng)參數(shù)。

從表4可以看出，毛細(xì)芯B、A、C的蒸發(fā)形成時(shí)間均為80s 左右，并且LHP 均可在160～200s 內(nèi)啟動(dòng)。其中，毛細(xì)芯B的啟動(dòng)時(shí)間最快，毛細(xì)芯A次之，毛細(xì)芯C最慢，這是由于3個(gè)毛細(xì)芯的吸液層孔徑差異造成的，吸液層孔徑更大，滲透率也更大，在蒸發(fā)層液體工質(zhì)蒸發(fā)完畢后能夠向蒸發(fā)層補(bǔ)充足夠質(zhì)量流量的液體工質(zhì)，使蒸汽源源不斷地進(jìn)入冷凝器，從而快速完成循環(huán)。

表4 啟動(dòng)參數(shù)

圖6(a)中裝載毛細(xì)芯B 的環(huán)路熱管在76s 時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)出現(xiàn)蒸發(fā)，液體工質(zhì)相變?yōu)檎羝?，毛?xì)芯上下兩側(cè)的壓差推動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，將蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)送入蒸汽管道后再進(jìn)入冷凝器，工質(zhì)在冷凝器中冷凝為液體后回到蒸發(fā)器中的儲(chǔ)液槽，在160s 時(shí)完成工質(zhì)循環(huán)，然后通過毛細(xì)芯的毛細(xì)力進(jìn)入蒸發(fā)區(qū)被加熱，再次蒸發(fā)。毛細(xì)芯B在環(huán)路熱管啟動(dòng)后出現(xiàn)了大幅度的溫度振蕩，振蕩區(qū)間為200～1000s，雖然大孔徑的吸液層可以為蒸發(fā)層提供充足質(zhì)量流量的液體工質(zhì)，但環(huán)路熱管啟動(dòng)后，來自冷凝器中的低溫液體工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)層后使得蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的過熱度降低，蒸發(fā)區(qū)也需要不斷地從低溫開始加熱使工質(zhì)蒸發(fā)，導(dǎo)致4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)存在波動(dòng)現(xiàn)象。圖6(b)中的毛細(xì)芯A在啟動(dòng)后也存在溫度振蕩，由于毛細(xì)芯A的吸液層孔徑為200μm，小于毛細(xì)芯B，因此振蕩時(shí)間更短，振蕩區(qū)間為200～700s。圖6(c)中的毛細(xì)芯C的吸液層孔徑為100μm，孔徑最小，因此在啟動(dòng)后無明顯的溫度振蕩，溫度比毛細(xì)芯A 和B 更穩(wěn)定。

圖6 毛細(xì)芯B、A、C的LHP啟動(dòng)性能

3.1.2 運(yùn)行性能

LHP成功啟動(dòng)后，用壁面溫度及冷凝器進(jìn)出口溫度的變化來判斷LHP的運(yùn)行性能。

圖7為裝載毛細(xì)芯B、A、C的LHP，在熱負(fù)荷不斷增加期間，、、三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化圖、LHP 傳熱系數(shù)及熱阻變化圖。從圖7(a)可見，毛細(xì)芯B的壁面溫度始終高于毛細(xì)芯A，雖然在低功率下相差不大，但隨熱負(fù)荷升高至60W后，高出毛細(xì)芯A 更多，在140W 時(shí)為99.9℃，表明增大吸液層孔徑會(huì)削弱毛細(xì)芯的控溫能力，特別是在中高負(fù)荷下更加明顯。從圖7(b)、(c)可見，毛細(xì)芯B的LHP傳熱系數(shù)在熱負(fù)荷升高過程中，遠(yuǎn)低于毛細(xì)芯A，且熱負(fù)荷越高，低于毛細(xì)芯A更多，表明毛細(xì)芯B 的傳熱能力遠(yuǎn)弱于毛細(xì)芯A，相對(duì)應(yīng)的LHP熱阻也高于毛細(xì)芯A。毛細(xì)芯B的吸液層孔徑為300μm，大于毛細(xì)芯A，滲透率也更大，因此在LHP運(yùn)行過程中會(huì)為蒸發(fā)層輸送更多液體工質(zhì)，但過多的液體工質(zhì)會(huì)使得蒸發(fā)區(qū)的過熱度降低，反而不利于蒸發(fā)區(qū)的有效蒸發(fā)，導(dǎo)致LHP傳熱能力被削弱。在140W 時(shí)，毛細(xì)芯A 的LHP 傳熱系數(shù)為13068 W/(m·K)，熱阻為0.13K/W，而毛細(xì)芯B 的LHP傳熱系數(shù)僅為8301W/(m·K)，熱阻高達(dá)0.19K/W。

圖7 毛細(xì)芯B、A、C的運(yùn)行特性對(duì)比

從圖7(a)可見，在熱負(fù)荷升高過程中，毛細(xì)芯C的壁面溫度均高于毛細(xì)芯A，表明減小吸液層孔徑也會(huì)削弱毛細(xì)芯的控溫能力。從圖7(b)、(c)可見，毛細(xì)芯C的傳熱系數(shù)在20～40W的低負(fù)荷下與毛細(xì)芯B 相差不大，升高至40W 后高于毛細(xì)芯B，但仍低于毛細(xì)芯A，相對(duì)應(yīng)的LHP 熱阻在40W 也高于毛細(xì)芯A。一方面，毛細(xì)芯的吸液層孔徑為100μm，小于毛細(xì)芯A，在LHP運(yùn)行過程中，吸液層的低滲透率導(dǎo)致向蒸發(fā)層輸送了更少流量的液體工質(zhì)，難以支持蒸發(fā)層液體工質(zhì)的相變速率，本應(yīng)在蒸汽槽道內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽膜卻在蒸發(fā)層內(nèi)產(chǎn)生，使毛細(xì)芯內(nèi)產(chǎn)生了多余的熱阻，從而導(dǎo)致傳遞至冷凝器的熱量更少，并且蒸發(fā)區(qū)的液體工質(zhì)不足，產(chǎn)生了干燒的現(xiàn)象，削弱了毛細(xì)芯的控溫及傳熱能力，且在100W后的高熱負(fù)荷下，該現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致傳熱系數(shù)出現(xiàn)下降，熱阻出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。另一方面，毛細(xì)芯C吸液層的低滲透率卻能抑制蒸發(fā)層的蒸汽逆流至吸液層一側(cè)而產(chǎn)生的熱泄漏，因此傳熱系數(shù)雖低于毛細(xì)芯A，但高于毛細(xì)芯B，在140W 時(shí)，LHP 傳熱系數(shù)為9169W/(m·K)，熱阻為0.15K/W。

3組毛細(xì)芯中，毛細(xì)芯A 具有最強(qiáng)的控溫能力及更高的傳熱系數(shù)，在140W 時(shí)，壁面溫度為93.0℃，傳熱系數(shù)為13068W/(m·K)，可見不當(dāng)改變吸液層孔徑反而會(huì)削弱LHP的傳熱性能。

3.2 蒸發(fā)層結(jié)構(gòu)對(duì)LHP運(yùn)行的影響

本節(jié)為研究蒸發(fā)層孔徑對(duì)LHP 啟動(dòng)及運(yùn)行性能的影響，在吸液層孔徑不變的情況下，將表3中的毛細(xì)芯A、D、E 按照蒸發(fā)層孔徑從大到小的順序，排列為毛細(xì)芯D、A、E。

3.2.1 啟動(dòng)性能

圖8為毛細(xì)芯D、A、E的LHP啟動(dòng)性能，表5為毛細(xì)芯D、A、E的啟動(dòng)參數(shù)。

圖8 毛細(xì)芯D、A、E的LHP啟動(dòng)性能

從表5可見，由于蒸發(fā)層孔徑的不同造成了毛細(xì)芯D、A、E 的啟動(dòng)性能有很大差異。毛細(xì)芯E的蒸發(fā)層孔徑為100μm，蒸發(fā)形成最快，LHP啟動(dòng)時(shí)間最短，在124s即可完成循環(huán)。毛細(xì)芯A次之，毛細(xì)芯D 蒸發(fā)形成最慢，啟動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，在530s才能夠完成循環(huán)。當(dāng)毛細(xì)芯蒸發(fā)層孔徑較小時(shí)，其內(nèi)部存在的液體工質(zhì)也較少，因而能夠在啟動(dòng)初始階段快速蒸發(fā)完畢，形成蒸汽；相反孔徑較大時(shí)，完成蒸發(fā)的用時(shí)也較長(zhǎng)，造成LHP 啟動(dòng)困難，因此可以發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)形成時(shí)間及LHP 啟動(dòng)時(shí)間這兩者與蒸發(fā)層孔徑有很大關(guān)聯(lián)。

表5 毛細(xì)芯D、A、E啟動(dòng)參數(shù)

從圖8(a)可見，毛細(xì)芯D在LHP啟動(dòng)后的500～530s 期間，壁面溫度與冷凝器進(jìn)出口溫度出現(xiàn)了最高值，在530s 后開始下降，這是由于LHP 已完成循環(huán)，開始對(duì)壁面進(jìn)行控溫，隨后4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度開始趨于平穩(wěn)。圖8(b)的毛細(xì)芯A雖然啟動(dòng)時(shí)間更快，但由于啟動(dòng)后蒸發(fā)區(qū)內(nèi)過熱度降低，出現(xiàn)了溫度振蕩現(xiàn)象。圖8(c)的毛細(xì)芯E 蒸發(fā)層孔徑為100μm，其內(nèi)部的液體工質(zhì)可以迅速蒸發(fā)完畢，吸液層也能及時(shí)為其補(bǔ)充液體工質(zhì)，所以毛細(xì)芯E不僅啟動(dòng)最快，而且在LHP 啟動(dòng)后無明顯的溫度振蕩，啟動(dòng)性能優(yōu)于其他毛細(xì)芯。

3.2.2 運(yùn)行性能

圖9 為裝載毛細(xì)芯D、A、E 的LHP 在熱負(fù)荷不斷增加期間、、三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化圖、LHP 傳熱系數(shù)及熱阻變化圖。從圖9(a)可見，毛細(xì)芯D 的壁面溫度在熱負(fù)荷升高過程中始終高于毛細(xì)芯A，在140W 時(shí)，壁面溫度為97.0℃，表明毛細(xì)芯D的控溫能力最弱。從圖9(b)可見，毛細(xì)芯D 的LHP 傳熱系數(shù)在熱負(fù)荷為20W 時(shí)，高于毛細(xì)芯A，這是由于毛細(xì)芯D 蒸發(fā)層孔徑為300μm，滲透率最高，有利于蒸汽的排出并且在中低負(fù)荷下能夠產(chǎn)生充足的蒸汽傳遞至冷凝器。但在40～140W 的中高熱負(fù)荷下，LHP 的蒸發(fā)器內(nèi)需要更大質(zhì)量流量的蒸汽輸送至冷凝器中，以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，這也意味著毛細(xì)芯兩側(cè)需要有足夠的壓差推動(dòng)工質(zhì)的循環(huán)。在低功率下，從蒸發(fā)器出口至冷凝器入口的蒸汽輸送阻力遠(yuǎn)低于毛細(xì)芯D大孔徑蒸發(fā)層的蒸汽滲透，可保證蒸汽穩(wěn)定地從蒸發(fā)器出口排出，然而在中高負(fù)荷下，蒸汽流量的增加使二者的阻力差距縮小，蒸發(fā)區(qū)內(nèi)有少量蒸汽會(huì)滲透至吸液層一側(cè)，導(dǎo)致熱泄漏。特別是在120～140W期間，毛細(xì)芯D本高于毛細(xì)芯A的冷凝器進(jìn)口溫度卻比毛細(xì)芯A更低，表明該現(xiàn)象更為明顯，所以傳熱系數(shù)反而出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象，圖9(c)中相對(duì)應(yīng)的熱阻也出現(xiàn)了升高的趨勢(shì)。毛細(xì)芯D的LHP 傳熱系數(shù)在140W 時(shí)僅為9425W/(m·K)，熱阻為0.17K/W。

圖9 毛細(xì)芯D、A、E的運(yùn)行特性對(duì)比

從圖9(a)、(b)可見，毛細(xì)芯E 的壁面溫度在40～100W的中負(fù)荷下高于毛細(xì)芯A，傳熱系數(shù)低于毛細(xì)芯A，其余熱負(fù)荷下壁溫均低于毛細(xì)芯A，傳熱系數(shù)高于毛細(xì)芯A，且在140W 時(shí)，壁面溫度僅為90.6℃，圖9(c)中相對(duì)應(yīng)其余熱負(fù)荷下的LHP 熱阻也均高于毛細(xì)芯A，表明該毛細(xì)芯在低負(fù)荷及高負(fù)荷下控溫能力及傳熱性能都強(qiáng)于毛細(xì)芯A。毛細(xì)芯E 的蒸發(fā)層為100μm，孔隙率比毛細(xì)芯A 更低，蒸發(fā)層容納的液體工質(zhì)更少，在啟動(dòng)后的初期，蒸發(fā)層的液體處于飽和狀態(tài)，蒸發(fā)更有利于驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在LHP內(nèi)循環(huán)，所以傳熱系數(shù)高于毛細(xì)芯A。而吸液層孔徑與毛細(xì)芯A一致，為200μm，滲透率高于蒸發(fā)層。在高熱負(fù)荷下，高滲透率的吸液層在蒸發(fā)層內(nèi)的液體工質(zhì)迅速蒸發(fā)完畢后，能夠?yàn)槠浼皶r(shí)補(bǔ)充，而毛細(xì)芯A和D的吸液層滲透率不高于蒸發(fā)層的情況下，未必能提供給蒸發(fā)層足夠質(zhì)量流量的液體工質(zhì)進(jìn)行蒸發(fā)，所以在高熱負(fù)荷下，毛細(xì)芯E的傳熱系數(shù)高于其余毛細(xì)芯，在140W 時(shí)可達(dá)到13677W/(m·K)，熱阻僅為0.12K/W。可見，減小復(fù)合毛細(xì)芯的蒸發(fā)層孔徑可以強(qiáng)化LHP 在高熱負(fù)荷下的傳熱性能。

4 結(jié)論

本文對(duì)毛細(xì)芯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，相比于傳統(tǒng)單層毛細(xì)芯，將不同孔徑的金屬3D 打印毛細(xì)芯進(jìn)行上下復(fù)合可同時(shí)滿足蒸發(fā)以及輸送液體工質(zhì)的需求。復(fù)合毛細(xì)芯的吸液層和蒸發(fā)層的孔徑配比對(duì)LHP有如下顯著的影響。

（1）復(fù)合毛細(xì)芯吸液層孔徑的不同造成了LHP啟動(dòng)后的溫度振蕩程度不同，當(dāng)蒸發(fā)層孔徑一定時(shí)，越大孔徑的吸液層的溫度振蕩幅度越大，時(shí)間越長(zhǎng)。這是由于在啟動(dòng)后大孔徑的吸液層會(huì)使?jié)B透進(jìn)入蒸發(fā)區(qū)的冷凝工質(zhì)過多，使蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的過熱度降低，需要不斷從低溫開始加熱。在LHP 運(yùn)行過程中，增大吸液層孔徑會(huì)造成蒸發(fā)區(qū)內(nèi)過熱度降低，不斷削弱LHP 的傳熱能力（毛細(xì)芯B）；減小復(fù)合毛細(xì)芯的吸液層孔徑會(huì)將難以支持蒸發(fā)區(qū)相變速率，使蒸發(fā)區(qū)出現(xiàn)干燒現(xiàn)象，同樣會(huì)限制LHP的傳熱能力（毛細(xì)芯C）。

（2）復(fù)合毛細(xì)芯蒸發(fā)層孔徑的不同造成了LHP的啟動(dòng)時(shí)間快慢的不同，當(dāng)吸液層孔徑一定時(shí)，越小孔徑的蒸發(fā)層可容納的液體工質(zhì)較少，有利于蒸發(fā)區(qū)的迅速蒸發(fā)，使LHP 快速啟動(dòng)。在LHP 運(yùn)行過程中，增大蒸發(fā)層孔徑在低負(fù)荷下利于蒸汽的排出可使傳熱系數(shù)升高，但在中高負(fù)荷下會(huì)由于熱泄漏造成傳熱系數(shù)的降低，削弱了LHP 的傳熱性能（毛細(xì)芯D）；減小蒸發(fā)層孔徑會(huì)使LHP在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，壁面溫度降低，傳熱系數(shù)升高，強(qiáng)化LHP的控溫及傳熱能力（毛細(xì)芯E）。

（3）當(dāng)復(fù)合毛細(xì)芯的吸液層孔徑為200μm，略大于蒸發(fā)層100μm 時(shí)，可同時(shí)具備輸送工質(zhì)以及高效蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，因此該毛細(xì)芯具有較強(qiáng)的控溫及傳熱能力，在熱負(fù)荷為140W時(shí)，傳熱系數(shù)可達(dá)到13677W/(m·K)，熱阻為0.12K/W。