平板陶瓷毛細(xì)芯環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)與仿真

鄭宿正，李南茜，董德平

（1 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

環(huán)路熱管（loop heat pipe,LHP）是一種高效的兩相流傳熱裝置，其利用工質(zhì)的蒸發(fā)-冷凝相變將熱源的熱量傳遞到冷端，并在壓差和毛細(xì)力的共同作用下使得冷凝液回到蒸發(fā)器中完成循環(huán)。相較于傳統(tǒng)冷卻方式，環(huán)路熱管具備更遠(yuǎn)的傳熱距離、更高的傳熱效率，并且由于無需額外的泵驅(qū)動(dòng)，具備更好的可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于電子器件熱控系統(tǒng)中。然而傳統(tǒng)的環(huán)路熱管蒸發(fā)器多為圓柱形，在與電子器件耦合時(shí)經(jīng)常需要安裝額外的鞍座，在面臨電子器件封裝條件越發(fā)苛刻的情況下，鞍座的安裝無疑引入了額外的熱阻并且降低了結(jié)構(gòu)的緊湊性，因此平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

Chen等研究了以不銹鋼絲網(wǎng)作為毛細(xì)芯的甲醇平板LHP 的穩(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)較低的充液率會(huì)使系統(tǒng)難以啟動(dòng)，而較高的充液率容易導(dǎo)致系統(tǒng)在低熱負(fù)荷條件下出現(xiàn)溫度波動(dòng)，因此選擇合適的充液率對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。田亞玲等設(shè)計(jì)并加工了一種銅粉燒結(jié)毛細(xì)芯，研究了其在不同工況下的啟動(dòng)特性和傳熱特性，結(jié)果表明高加熱功率和較高充液率有利于環(huán)路熱管的平穩(wěn)啟動(dòng)，并且存在一個(gè)最佳充液率使得環(huán)路熱管的傳熱性能最佳。He等提出了一種帶有肋強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的平板蒸發(fā)器以解決平板蒸發(fā)器承壓能力弱、易變形的不足，其毛細(xì)芯采用燒結(jié)金屬鎳，結(jié)果表明LHP 具有良好的啟動(dòng)特性和熱負(fù)荷響應(yīng)特性。

數(shù)值模擬是探究環(huán)路熱管運(yùn)行機(jī)理的重要手段，Kaya 等基于系統(tǒng)各部件的能量守恒和工質(zhì)的壓降計(jì)算建立了環(huán)路熱管的數(shù)學(xué)模型，模型考慮了LHP 與環(huán)境之間的換熱，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差小于5%。Bai 等對(duì)多種條件下的環(huán)路熱管性能進(jìn)行了模擬，分析了穩(wěn)態(tài)條件下熱沉溫度與環(huán)境溫度對(duì)LHP 蒸發(fā)溫度的影響，并且預(yù)測(cè)了冷凝器內(nèi)工質(zhì)兩相段的變化，同時(shí)指出復(fù)合毛細(xì)芯能夠減少蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱量從而提升環(huán)路熱管性能。Zhu 等基于節(jié)點(diǎn)分析方法對(duì)各節(jié)點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型可以計(jì)算熱量的傳遞、壓力損失和各節(jié)點(diǎn)的溫度情況。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，該數(shù)學(xué)模型所獲得的模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度之間具備較好的一致性。

目前平板蒸發(fā)器的毛細(xì)芯多采用金屬顆粒，如鎳、不銹鋼、銅等燒結(jié)而成。采用熱導(dǎo)率較高的金屬材料作為毛細(xì)芯通常會(huì)增大蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)金屬毛細(xì)芯的使用需要考慮到材料本身與工質(zhì)的兼容性問題，而且金屬毛細(xì)芯通常會(huì)帶來整體重量的增加。因此，本文選用氧化鋯陶瓷作為平板毛細(xì)芯的材料，其具備熱導(dǎo)率小、耐腐蝕、密度小等優(yōu)點(diǎn)，選用飽和壓力較小的環(huán)境友好型制冷劑R245fa 作為工質(zhì)研究了平板蒸發(fā)器LHP 的傳熱性能。同時(shí)基于熱阻網(wǎng)絡(luò)模型建立了環(huán)路熱管系統(tǒng)級(jí)的數(shù)值仿真，在假定儲(chǔ)液器內(nèi)能量守恒的情況下求解儲(chǔ)液器溫度，并通過外回路壓力計(jì)算得到儲(chǔ)液器內(nèi)飽和溫度，以兩條路徑出發(fā)得到的儲(chǔ)液器溫度殘差作為收斂條件，提高了計(jì)算速度。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與結(jié)果分析

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，整個(gè)環(huán)路熱管系統(tǒng)由五部分組成，分別為蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器、冷凝器、氣體管線以及液體管線。其中蒸發(fā)器為直徑35mm的圓盤形結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器內(nèi)毛細(xì)芯采用新型氧化鋯陶瓷材料燒結(jié)而成，其孔隙半徑為1.7μm，孔隙率達(dá)到65.8%，如圖2 所示。除毛細(xì)芯外整個(gè)環(huán)路熱管材料均為316L 不銹鋼，氣體管線長(zhǎng)920mm，液體管線長(zhǎng)1100mm，管線內(nèi)徑均為3mm。

圖1 平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管

圖2 氧化鋯陶瓷毛細(xì)芯

蒸發(fā)器是整個(gè)環(huán)路熱管的核心部件，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的層式圓盤形蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，儲(chǔ)液器位于蒸發(fā)器正上方，毛細(xì)芯通過熱裝配的方法與蒸發(fā)器殼體過盈配合以保證良好接觸，陶瓷加熱片作為模擬熱源通過導(dǎo)熱硅脂固定在蒸發(fā)器底部，加熱區(qū)域面積為4cm。冷凝器通過導(dǎo)熱墊與水冷板貼合，并利用C形夾固定，保證良好接觸，減小接觸熱阻。水冷板溫度由水冷機(jī)溫度控制模塊確定，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，其中溫度測(cè)量采用的是Pt1000鉑電阻溫度計(jì)，從圖中可以看到一共有7個(gè)特征溫度點(diǎn)。為了方便與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，后文所建立理論模型中的溫度節(jié)點(diǎn)與此處相同。為了提高測(cè)溫準(zhǔn)確性，在蒸發(fā)器和冷凝器上分別布置了4 個(gè)和3個(gè)溫度傳感器，并且分別取這幾個(gè)點(diǎn)的平均溫度作為蒸發(fā)器和冷凝器溫度。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 不確定度分析

通常用測(cè)量不確定度來衡量測(cè)量值表征真實(shí)值的可靠性，通過3 次重復(fù)加熱5W 實(shí)驗(yàn)測(cè)得3 組溫度值。根據(jù)不確定度分析理論，一個(gè)變量的不確定度包含兩類，其中A類不確定度是由隨機(jī)效應(yīng)引起的，可以根據(jù)一系列測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)分布，采用標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)定，如式(1)所示。

而B類不確定度通常是由系統(tǒng)誤差引起的，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者其他信息所獲得的概率密度函數(shù)進(jìn)行確定，在均勻分布函數(shù)條件下置信系數(shù)取 3，置信概率取0.683，置信因子取1，則B類不確定度可以表示為式(2)。

—蒸發(fā)器出口溫度；—冷凝器入口溫度；—冷凝器出口溫度；—儲(chǔ)液器入口溫度；—儲(chǔ)液器溫度；

將A類不確定度和B類不確定度組合起來即可得到合成不確定度，如式(3)所示，則相對(duì)不確定度如式(4)所示。

根據(jù)上式計(jì)算了實(shí)驗(yàn)中主要變量的不確定度，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)中主要變量的不確定度

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在電子器件的實(shí)際使用過程中，發(fā)熱量通常是跟隨芯片的處理頻率變化的，因此對(duì)于高效散熱元件而言，其必須能夠穩(wěn)定工作在不同熱負(fù)荷下且對(duì)于熱負(fù)荷的變化能夠快速響應(yīng)以達(dá)到最佳的散熱效果。

本文設(shè)計(jì)的環(huán)路熱管工作溫區(qū)為20～80℃，通過施加不同的熱負(fù)荷探究其熱響應(yīng)特性和傳熱特性。從圖4 可以看到，當(dāng)加熱功率為5W 時(shí)，蒸發(fā)器溫度率先升高，此時(shí)蒸發(fā)器內(nèi)液體工質(zhì)開始蒸發(fā)，毛細(xì)芯氣液交界面處形成彎月面，其產(chǎn)生的毛細(xì)力為工質(zhì)完成循環(huán)提供了動(dòng)力。隨后工質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽通過毛細(xì)芯表面的蒸汽槽道進(jìn)入氣體管線，蒸發(fā)器出口溫度升高，加熱功率較小，使得蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽流量較小、蒸汽流速較低，因此冷凝器入口處溫升較慢；蒸汽進(jìn)入冷凝器后開始冷凝并釋放熱量，冷凝產(chǎn)生的液體工質(zhì)在毛細(xì)力和壓差的共同作用下經(jīng)由液體管線進(jìn)入儲(chǔ)液器，回流的液體工質(zhì)在儲(chǔ)液器內(nèi)通過毛細(xì)芯與蒸發(fā)器產(chǎn)生換熱，從而使得蒸發(fā)器以及熱源溫度降低，隨后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，環(huán)路熱管順利平穩(wěn)啟動(dòng)。同時(shí)，環(huán)路熱管對(duì)于加熱功率的變化可以迅速做出響應(yīng)，并且能夠快速到達(dá)穩(wěn)定工況，具備良好的熱響應(yīng)特性；而且整個(gè)環(huán)路熱管系統(tǒng)在運(yùn)行過程中沒有出現(xiàn)溫度波動(dòng)現(xiàn)象，具備很好的熱穩(wěn)定特性。從圖中可以看到，環(huán)路熱管最大傳熱功率為60W，對(duì)應(yīng)蒸發(fā)器熱流密度為15W/cm，蒸發(fā)器出口溫度與蒸發(fā)器溫度十分接近，說明毛細(xì)芯與底面接觸良好且新型氧化鋯陶瓷毛細(xì)芯的使用大大減小了蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱；同時(shí)蒸發(fā)器出口與儲(chǔ)液器之間較大的溫差為工質(zhì)在外環(huán)路的循環(huán)提供了充足的動(dòng)力。

圖4 環(huán)路熱管變工況運(yùn)行曲線

圖5是在不同加熱功率下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)環(huán)路熱管各節(jié)點(diǎn)處的溫度，可以看到，各點(diǎn)溫度均隨著加熱功率的增加而升高，但是冷凝器出口溫度幾乎不變且與熱沉溫度相近，說明冷凝器冷凝能力足夠，同時(shí)冷凝器出口與儲(chǔ)液器入口溫度幾乎相等，說明液體管線與環(huán)境換熱可以忽略。觀察圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，在加熱功率小于30W 時(shí)，蒸發(fā)器出口溫度基本等于冷凝器入口溫度，而當(dāng)加熱功率超過30W 時(shí)，蒸發(fā)器出口溫度與冷凝器入口的溫差不斷變大。這是因?yàn)樵谛」β是闆r下，液體工質(zhì)在蒸汽槽道表面的蒸發(fā)傳熱系數(shù)較小，同時(shí)蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽流量較小使得氣體流速較慢，氣體管線與環(huán)境的換熱基本可以忽略，因此蒸發(fā)器出口溫度基本等于冷凝器入口溫度；而隨著功率的增加，液體工質(zhì)在蒸汽槽道表面的蒸發(fā)強(qiáng)度增強(qiáng)，蒸發(fā)傳熱系數(shù)增大，蒸發(fā)器內(nèi)部的傳熱能力大大增強(qiáng)，同時(shí)由于熱負(fù)載的增加，工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流量也增大，使得蒸汽流速變快，增強(qiáng)了氣體管線與環(huán)境的換熱，因此冷凝器入口溫度略低于蒸發(fā)器出口溫度。

圖5 穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)各節(jié)點(diǎn)溫度

傳熱熱阻是衡量環(huán)路熱管性能的重要指標(biāo)，它是傳熱溫差與傳熱功率的比值，本文分別對(duì)LHP系統(tǒng)熱阻、蒸發(fā)器熱阻以及冷凝器熱阻進(jìn)行了計(jì)算，如式(5)～式(7)所示。

圖6展示了各部分熱阻隨功率的變化情況，從圖中可以看到，環(huán)路熱管在30W 時(shí)從可變熱導(dǎo)區(qū)進(jìn)入固定熱導(dǎo)區(qū)。在30W 之前系統(tǒng)熱阻隨著加熱功率的增大而減小，超過30W 后系統(tǒng)熱阻變化不大，并在30W 時(shí)達(dá)到最小值0.52℃/W。觀察熱阻分布可以發(fā)現(xiàn)，在低功率的情況下系統(tǒng)熱阻幾乎等于蒸發(fā)器熱阻和冷凝器熱阻之和，即氣體管線熱阻基本可以忽略，此時(shí)冷凝器熱阻約占總熱阻的50%～60%；隨著功率的增加，工質(zhì)的蒸發(fā)速率加快，蒸發(fā)器傳熱能力顯著增強(qiáng)導(dǎo)致蒸發(fā)器熱阻減小，但此時(shí)冷凝器熱阻無較大變化，其在系統(tǒng)熱阻占比中高達(dá)90%以上，因此對(duì)于大功率平板LHP而言減小冷凝器熱阻顯得尤為重要。蒸發(fā)器傳熱系數(shù)是衡量蒸發(fā)器傳熱性能的一個(gè)重要參數(shù)，它與蒸發(fā)器熱阻和蒸發(fā)器加熱面積有關(guān)，如式(8)所示。

從圖6中可以看到，在30W之前蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨著加熱功率的增加而增大，并且在30W 時(shí)達(dá)到最大值24W/(cm·K)，不銹鋼材料較低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致熱量在壁面積累，因此隨著加熱功率的繼續(xù)增大，蒸發(fā)器壁面與蒸汽溫差增大，蒸發(fā)器傳熱系數(shù)減小。

圖6 傳熱熱阻隨功率變化

2 環(huán)路熱管整機(jī)模型

2.1 模型描述與求解

為了深入分析平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管的傳熱特性，本文建立了環(huán)路熱管水平狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)傳熱過程數(shù)學(xué)模型，該模型將環(huán)路熱管各關(guān)鍵部位簡(jiǎn)化為相應(yīng)的溫度節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)位置與上述實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)點(diǎn)位置保持一致。該模型基于各部分的質(zhì)量守恒、能量守恒以及熱力學(xué)關(guān)系式，利用MATLAB 編程并在程序中調(diào)用NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)，從而保證工質(zhì)物性隨溫度變化，并且該模型從兩條路徑上計(jì)算儲(chǔ)液器溫度，并以兩條路徑計(jì)算得出的儲(chǔ)液器溫度之差小于1×10作為收斂條件，從計(jì)算精度和速度上都有了明顯提高。考慮到換熱系數(shù)的選取多選用半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，因此結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證及修正。在建立求解模型之前，需對(duì)其作出一些簡(jiǎn)化，假設(shè)條件如下：①儲(chǔ)液器內(nèi)為氣液兩相；②蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱分為兩部分，包括殼體的導(dǎo)熱和毛細(xì)芯的漏熱；③所有流動(dòng)均視為不可壓縮流動(dòng)；④蒸汽槽道溫度等于蒸汽出口溫度；⑤考慮環(huán)境漏熱；⑥冷凝過程視為等壓；⑦工質(zhì)的物性參數(shù)隨溫度變化。

在加熱面上施加一定熱負(fù)荷時(shí)，工質(zhì)在毛細(xì)芯外表面蒸發(fā)并通過蒸汽槽道進(jìn)入氣體管線，之后在冷凝器內(nèi)冷凝為液體并過冷，回流液體流經(jīng)液體管線進(jìn)入儲(chǔ)液器，再浸潤(rùn)毛細(xì)芯從而完成一個(gè)循環(huán)。工質(zhì)在流經(jīng)環(huán)路熱管各部分時(shí)，由于摩擦阻力從而產(chǎn)生壓降，根據(jù)Clausius-Clapeyron方程可知，對(duì)于飽和段而言，壓降的變化將會(huì)導(dǎo)致溫度的變化，如式(9)所示。

環(huán)路熱管系統(tǒng)的總壓降不超過毛細(xì)芯所能提供的最大毛細(xì)力是環(huán)路熱管能夠穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，模型中關(guān)于壓降的計(jì)算在文獻(xiàn)[12]中已作了詳細(xì)介紹，在這里就不再贅述。本文將著重介紹模型的傳熱過程以及模型求解思路。

建立的平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管的一維整機(jī)模型，將基于熱阻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行求解，通過上文的模型描述，建立熱阻網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。

從圖7中可以看到，加載到蒸發(fā)器受熱面上的總熱負(fù)荷分為兩部分，包括蒸發(fā)器殼體對(duì)環(huán)境的漏熱和用于蒸發(fā)的熱量，可以表示為式(10)。

圖7 熱阻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)示意圖

Q為通過殼體導(dǎo)熱對(duì)儲(chǔ)液器的漏熱以及傳遞到毛細(xì)芯表面氣液分界面蒸發(fā)的熱量之和，所以有式(11)。

式中，為蒸發(fā)傳熱熱阻；為蒸發(fā)器殼體的導(dǎo)熱熱阻。傳遞到氣液分界面的熱量包括工質(zhì)的潛熱和顯熱，以及通過毛細(xì)芯的漏熱，如式(12)所示。

毛細(xì)芯熱阻可以表示為式(13)。

對(duì)多孔介質(zhì)有效熱導(dǎo)率的研究有大量經(jīng)典文獻(xiàn)，其中Alexander 的理論被廣泛應(yīng)用，如式(14)所示。

在儲(chǔ)液器中，通過蒸發(fā)器殼體的導(dǎo)熱以及毛細(xì)芯對(duì)儲(chǔ)液器的漏熱與回流液的過冷量和環(huán)境換熱相平衡，則有式(15)成立。

冷凝管線內(nèi)液體考慮到與熱沉（水冷板）中液體換熱，根據(jù)傳熱學(xué)原理可得到冷凝器出口溫度如式(16)所示。

同理，儲(chǔ)液器入口溫度可以表示為式(17)。

冷凝器與熱沉在兩相區(qū)的換熱，等于凝結(jié)蒸汽潛熱，則有式(18)成立。

從圖7中可以看到，整個(gè)工質(zhì)循環(huán)過程中存在3個(gè)飽和狀態(tài)點(diǎn)，分別位于蒸汽槽道、儲(chǔ)液器以及冷凝器，故而可以得到式(19)、式(20)。

由Clausius-Clapeyron方程可得式(21)。

求解流程圖如圖8所示。

圖8 模型求解流程圖

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖9是模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，其中圖9(a)是蒸發(fā)器與蒸汽出口溫度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，從圖中可以看到實(shí)驗(yàn)值與仿真值的變化趨勢(shì)基本一致，在整個(gè)加熱功率區(qū)間內(nèi)，計(jì)算值均高于實(shí)驗(yàn)值，在小功率情況下（＜30W）計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較為接近，誤差不超過2℃，而當(dāng)加熱功率超過30W 后，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的溫差逐漸變大，其中蒸發(fā)器出口溫度最大計(jì)算誤差不超過3℃，蒸發(fā)器溫度計(jì)算誤差最大為5℃左右。圖9(b)是傳熱熱阻的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看到二者隨功率變化趨勢(shì)一致，最大計(jì)算誤差在17%左右。

圖9 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

模型中計(jì)算了系統(tǒng)各部分壓降，如圖10所示，從圖中可以看到各部分壓降均隨著加熱功率的增加而增大，工質(zhì)流經(jīng)毛細(xì)芯內(nèi)產(chǎn)生的壓降最大，氣體管線次之，液體管線內(nèi)壓降最小，并且從圖中可以發(fā)現(xiàn)毛細(xì)芯內(nèi)壓降占總壓降的90%左右。因此在設(shè)計(jì)毛細(xì)芯時(shí)需充分考慮工質(zhì)在流經(jīng)毛細(xì)芯時(shí)產(chǎn)生的壓降，避免系統(tǒng)壓降超過最大毛細(xì)力。

圖10 回路中各部分壓降

平板蒸發(fā)器特殊的結(jié)構(gòu)使得通過毛細(xì)芯向儲(chǔ)液器的漏熱更為顯著，而這部分漏熱又會(huì)直接影響環(huán)路熱管性能。一般來說，毛細(xì)芯厚度和有效熱導(dǎo)率是影響毛細(xì)芯向儲(chǔ)液器漏熱大小的兩個(gè)關(guān)鍵因素，圖11 展示了加熱功率50W、毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率5W/(m·K)情況下不同毛細(xì)芯厚度對(duì)蒸發(fā)溫度以及漏熱的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)芯厚度的增大，使得蒸發(fā)溫度降低，因?yàn)檩^大的毛細(xì)芯厚度會(huì)增大工質(zhì)流經(jīng)毛細(xì)芯的壓降，從而減小了毛細(xì)芯內(nèi)部液體工質(zhì)的飽和壓力，使得蒸發(fā)溫度降低，但是隨著厚度的增大，蒸發(fā)溫度降低的趨勢(shì)逐漸平緩；同時(shí)隨著厚度的變化，蒸汽溫度與儲(chǔ)液器溫度的溫差并沒有明顯變化，此時(shí)蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱量隨著毛細(xì)芯厚度的增大而減小，因此可見增大毛細(xì)芯厚度在一定程度上可以降低蒸發(fā)溫度，同時(shí)能夠減小蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱。然而需要注意的是，毛細(xì)芯厚度的增大雖然可以一定程度上減少漏熱，但是如前文所述，工質(zhì)流經(jīng)毛細(xì)芯內(nèi)壓降占系統(tǒng)總壓降的90%左右，因此需要綜合考慮毛細(xì)芯內(nèi)的流動(dòng)與傳熱過程，并以此確定毛細(xì)芯厚度。

圖11 毛細(xì)芯厚度對(duì)蒸發(fā)溫度以及漏熱的影響

除毛細(xì)芯厚度外，毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率的大小也是影響蒸發(fā)溫度與漏熱量的關(guān)鍵因素。圖12 分析了加熱功率50W、毛細(xì)芯厚度5mm 情況下毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率對(duì)蒸發(fā)溫度與漏熱的影響。從圖中可以看到蒸發(fā)溫度隨著毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，因?yàn)槊?xì)芯熱導(dǎo)率太小會(huì)阻礙熱量向氣液界面?zhèn)鬟f，熱量在蒸發(fā)器殼體聚集，環(huán)路熱管傳熱效率較低，從而蒸發(fā)溫度較高；隨著熱導(dǎo)率的增大，更多的熱量進(jìn)入毛細(xì)芯中并由工質(zhì)蒸發(fā)帶走，降低工作溫度，但是隨著熱導(dǎo)率的進(jìn)一步增大，通過毛細(xì)芯向儲(chǔ)液器的漏熱也顯著增加，使得蒸發(fā)溫度再次升高。過高的有效熱導(dǎo)率不僅會(huì)增大漏熱，提高蒸發(fā)溫度，在有些情況下甚至?xí)?dǎo)致毛細(xì)芯氣液界面向內(nèi)部移動(dòng)，使得芯體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，阻礙液體工質(zhì)的流動(dòng)，使得毛細(xì)芯出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象。

圖12 毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率對(duì)蒸發(fā)溫度以及漏熱的影響

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以氧化鋯陶瓷材料作為毛細(xì)芯的平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管，并以環(huán)境友好型的制冷劑R245fa 作為工質(zhì)測(cè)試了其傳熱性能，同時(shí)基于熱阻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方法建立了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論。

（1）在蒸發(fā)器溫度不超過80℃的情況下，該環(huán)路熱管系統(tǒng)能在5～60W 的熱負(fù)荷區(qū)間內(nèi)正常啟動(dòng)且穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)應(yīng)最大熱流密度為15W/cm，同時(shí)在30W 時(shí)進(jìn)入固定熱導(dǎo)區(qū)，此時(shí)傳熱熱阻最小，為0.52℃/W。

（2）在可變熱導(dǎo)區(qū)時(shí)，冷凝器熱阻占系統(tǒng)熱阻的50%～60%，進(jìn)入固定熱導(dǎo)區(qū)后，冷凝器熱阻占系統(tǒng)熱阻的90%左右，當(dāng)系統(tǒng)剛剛進(jìn)入固定熱導(dǎo)區(qū)時(shí)，蒸發(fā)器熱阻最小，此時(shí)蒸發(fā)器傳熱性能最佳。

（3）仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，溫度的計(jì)算誤差最大不超過5℃，熱阻的相對(duì)誤差最大為17%，計(jì)算得到工質(zhì)流經(jīng)毛細(xì)芯內(nèi)產(chǎn)生的壓降占系統(tǒng)總壓降的90%，因此在指導(dǎo)毛細(xì)芯設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮到毛細(xì)芯內(nèi)的流動(dòng)阻力。

（4）蒸發(fā)溫度隨著毛細(xì)芯厚度的增大而減小，隨著毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；增加毛細(xì)芯厚度有利于減小毛細(xì)芯向儲(chǔ)液器的漏熱，毛細(xì)芯有效熱導(dǎo)率的增大會(huì)顯著增加漏熱，不利于系統(tǒng)運(yùn)行。

——管路直徑，m

——毛細(xì)芯厚度，m

——傳熱系數(shù)，W/(cm·K)

——管路長(zhǎng)度，m

——質(zhì)量流量，kg/s

中學(xué)生的生理特點(diǎn)決定了其活潑好動(dòng)的性格，對(duì)豐富多彩的活動(dòng)總是躍躍欲試。教師要抓住學(xué)生的特點(diǎn)，積極組織活動(dòng)，讓學(xué)生通過參與活動(dòng)，豐富自己的情感體驗(yàn)，提高自我認(rèn)識(shí)。如教師可以舉行“我更快樂”的評(píng)選活動(dòng)，讓全體學(xué)生參與進(jìn)來，總結(jié)自己認(rèn)為快樂的一件事、一個(gè)表情、一個(gè)瞬間，先通過小組評(píng)選、全班評(píng)選，最后再進(jìn)行全年評(píng)選，直到參加全校評(píng)選。在評(píng)選過程中，要注意公開、公平。這樣的活動(dòng)可以讓學(xué)生發(fā)掘并放大自己內(nèi)心的快樂，同時(shí)還能學(xué)會(huì)分享快樂，對(duì)他們今后的學(xué)習(xí)和生活都將產(chǎn)生很大的影響。

——壓降，Pa

——熱量，W

——熱阻，℃/W

——溫度，℃

——熱導(dǎo)率，W/(m·K)

下角標(biāo)

a——環(huán)境

e——蒸發(fā)器

i——內(nèi)徑

in——入口

l——液相

o——外徑

out——出口

r——儲(chǔ)液器

sink——熱沉

v——?dú)庀?/p>

wall——蒸發(fā)器殼體

wick——毛細(xì)芯