圓盤式環(huán)路熱管的啟動特性及溫度波動

徐茂淯，陶帥，齊聰，梁林

（中國礦業(yè)大學(xué)低碳能源與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

隨著科技的發(fā)展，各類電子產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)并滲透于人們生活的方方面面。為了提升產(chǎn)品使用的體驗感，大型的電子產(chǎn)品由于其攜帶不便，逐漸被市場拋棄。電子產(chǎn)品的發(fā)展與生產(chǎn)越來越貼近小型化與集成化。環(huán)路熱管是傳統(tǒng)熱管的一種改進(jìn)形式，作為傳統(tǒng)熱管的延伸，能夠更加高效地利用工質(zhì)相變進(jìn)行熱傳輸。相比于傳統(tǒng)熱管，環(huán)路熱管具有傳熱能力強(qiáng)，傳熱效率高，傳輸距離長，布置靈活，受黏性極限、夾帶極限等因素影響較小等優(yōu)勢[1-3]。環(huán)路熱管短時間內(nèi)的高效換熱對于實(shí)現(xiàn)電力電子、航空航天、電動汽車等領(lǐng)域熱控制與管理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[4]。

環(huán)路熱管的快速啟動和精準(zhǔn)溫控是評價其性能優(yōu)劣的兩個重要因素，因而環(huán)路熱管的啟動及溫度波動問題已成為研究的熱點(diǎn)[5]。鄭銘鑄等[6]研究表明不同相變空間高度的情況下，蒸發(fā)器啟動時間存在明顯差異。張紅星等[7]則聚焦熱沉溫度、氣液分布等因素對啟動的影響。黃潔等[8]認(rèn)為過熱度、蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)是影響啟動的最關(guān)鍵因素。向佳佳等[9]研究了充液比對啟動性能的影響，當(dāng)充液比為50%和60%時啟動較迅速，而充液比大于70%時啟動困難。張先鋒[10]研究了冷凝器位置和擺放方式對啟動過程的影響，環(huán)路熱管能在低功率時各種放置狀態(tài)下順利啟動，冷凝器距離蒸發(fā)器蒸汽出口越近，啟動性能越好。Huang 等[11]將啟動分為啟動失敗、波動啟動、溫度過沖啟動和正常啟動，并對這幾種模式進(jìn)行了界定。對于溫度波動問題，Maydanik 等[12]最早在實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)了溫度波動現(xiàn)象。Ku 等[13]認(rèn)為溫度波動與氣液界面的位置有關(guān)，當(dāng)氣液界面只存在于冷凝器中時，溫度波動就不會發(fā)生。張紅星等[14]發(fā)現(xiàn)冷凝器出入口均會發(fā)生溫度波動現(xiàn)象。胡卓煥等[15]研究充液率對溫度波動的影響，得到52%充液率綜合性能最優(yōu)，溫度波動幅度較小。Wang 等[16]研究了不銹鋼-水環(huán)路熱管在不同熱負(fù)荷和傾角下的傳熱特性，實(shí)驗表明熱負(fù)荷為20W 時系統(tǒng)存在明顯的溫度波動現(xiàn)象，且熱負(fù)荷越小，溫度波動現(xiàn)象越明顯。李雪強(qiáng)等[17]對突出氣相壓頭的環(huán)路熱管進(jìn)行了實(shí)驗研究，研究表明熱管存在平穩(wěn)啟動、過沖啟動和滴落蒸發(fā)啟動三種啟動形式，增大加熱功率可以有效地減小溫度波動。

綜上可知，雖然已有許多研究者對環(huán)路熱管的啟動和溫度波動進(jìn)行了研究，但由于影響環(huán)路熱管啟動和溫度波動的因素比較復(fù)雜，有必要對其進(jìn)行廣泛的研究。為此，本文采用燒結(jié)方法制備了毛細(xì)芯體，實(shí)驗研究了系統(tǒng)在不同熱負(fù)荷下的啟動特性，分析了不同熱負(fù)荷和充灌率對溫度波動的影響規(guī)律，同時也對系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行及其熱阻變化進(jìn)行了分析；研究結(jié)果有望為環(huán)路熱管的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 實(shí)驗系統(tǒng)與毛細(xì)芯制備

1.1 實(shí)驗系統(tǒng)

環(huán)路熱管實(shí)驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示，主要由環(huán)路熱管系統(tǒng)、抽真空充灌系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及中間的連接管路組成。蒸發(fā)器采用可拆卸式設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由底座、蓋板、毛細(xì)芯和蒸汽槽等組成。加熱底座和蓋板之間采用螺栓連接，為了保證環(huán)路熱管系統(tǒng)的密封性，在加熱底座上開有高度為1mm 的環(huán)形槽道，槽道內(nèi)放入O形橡膠圈。管件與蒸發(fā)器出口、補(bǔ)償腔入口等連接處采用焊接時熱變形較小的氬弧焊相連。蒸發(fā)器整體外形為圓形，內(nèi)部含有毛細(xì)芯，蒸發(fā)器底板內(nèi)部留有蒸汽槽道，蒸發(fā)腔接收熱量后迅速產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過蒸汽槽道從蒸發(fā)器出口流出。冷凝器采用套管式換熱，順流式換熱。蒸汽管路與液體管路均采用內(nèi)徑為3mm、外徑為4mm 的不銹鋼管。本文采用的陶瓷加熱片作為模擬熱源，其直徑為30mm、厚度為1.3mm。通過穩(wěn)壓電源對系統(tǒng)進(jìn)行加熱功率的調(diào)節(jié)。蒸發(fā)器底座設(shè)有直徑30mm、深1mm 的圓柱形凹槽，加熱片與凹槽間涂有導(dǎo)熱硅脂，能盡量降低接觸熱阻。

圖1 環(huán)路熱管實(shí)驗系統(tǒng)示意圖

圖2 蒸發(fā)器示意圖

根據(jù)整個環(huán)路熱管系統(tǒng)的溫度范圍，選用T型銅-康銅熱電偶，熱電偶測量端布置如圖3 所示。使用安捷倫Keysight 34970A 數(shù)據(jù)采集儀連接計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。為了防止實(shí)驗裝置在工作過程中向周圍環(huán)境散熱，從而對實(shí)驗結(jié)果造成影響和誤差，采用海綿包裹的方法對環(huán)路熱管的實(shí)驗裝置進(jìn)行保溫。

圖3 測溫點(diǎn)示意圖

1.2 毛細(xì)芯的制備與表征

本文采用冷壓燒結(jié)的方法制作毛細(xì)芯并實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)底座與毛細(xì)芯一體化燒結(jié)，減小接觸熱阻?；w燒結(jié)材料選用高純度Incotype255 型鏈珠狀碳基鎳粉，顆粒直徑在2μm 左右。采用200～300 目（75～50μm）分析純氯化鈉作為造孔劑以便獲得較好的孔隙效果。經(jīng)過篩分、混合顆粒、冷壓填裝模具、燒結(jié)等一系列的過程獲得本文所用的芯材本體。如圖4 所示為毛細(xì)芯的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，燒結(jié)后毛細(xì)芯的主要參數(shù)如表1所示。

表1 燒結(jié)雙孔徑毛細(xì)芯參數(shù)

圖4 毛細(xì)芯的SEM圖

2 數(shù)據(jù)處理

環(huán)路熱管加熱功率計算見式(1)。

式中，Uin是指直流電源輸出電壓，V；Iin為直流電源的輸出電流，A。

熱阻是環(huán)路熱管的性能指標(biāo)之一，反映了蒸發(fā)器吸收熱量后環(huán)路熱管散發(fā)到冷源的阻力，如式(2)所示。

實(shí)驗中直流電源電壓誤差為±0.1%，直流電源電流誤差為±0.1%，低溫恒溫箱流量誤差為±1.5%，冷卻水溫度誤差為±0.5℃，熱電偶測量誤差為±0.5℃。由此可以計算出環(huán)路熱阻與功率的傳遞誤差分別為0.35%、3%。實(shí)驗誤差較小，數(shù)據(jù)可靠。

3 結(jié)果與討論

3.1 啟動

如圖5所示為在充灌率60%、熱沉溫度5℃下，環(huán)路熱管在5～25W 加熱負(fù)荷下的啟動圖。由圖可知，隨著熱負(fù)荷的施加，蒸發(fā)底座和補(bǔ)償室溫度逐漸升高，二者之間始終保持一定的溫差用來形成推動環(huán)路熱管運(yùn)行的壓差?？梢杂^察到分別在17min、13min、5min、3min、2.5min 左右蒸發(fā)器出口開始產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)歷了一段時間后，蒸汽進(jìn)入冷凝器入口，可以發(fā)現(xiàn)冷凝器出口的溫度與冷源溫度相差不大，這是因為冷凝器能將所有的蒸發(fā)器完全冷凝至過冷狀態(tài)。由圖5可知，鎳材毛細(xì)芯環(huán)路熱管系統(tǒng)可在不同的熱負(fù)荷下成功啟動。觀察圖5(a)～(e)冷凝入口及蒸汽管路與蒸發(fā)器出口的溫度差值可知：在低負(fù)荷啟動條件下，環(huán)路熱管產(chǎn)生蒸汽較少，蒸汽存在一個在槽道聚集的過程。環(huán)路熱管的蒸發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷凝效率。原本存在于冷凝器中的氣液界面前移至蒸汽管路。換句話說，蒸汽管路充當(dāng)了一部分冷凝器的作用。當(dāng)加熱功率在20W 左右時，冷凝入口及蒸汽管路與蒸發(fā)器出口的溫度差值基本為零，此時可以推斷蒸發(fā)效率與冷凝效率相等。

圖5 燒結(jié)鎳毛細(xì)芯環(huán)路熱管啟動特性圖

3.2 溫度波動

圖6 所示為環(huán)路熱管在不同加熱功率下的溫度波動情況。由圖6 可知，環(huán)路熱管系統(tǒng)在5W 和10W 啟動功率下均有不同程度的溫度波動，但隨著加熱功率的逐漸升高，溫度波動會越來越小。系統(tǒng)各個測點(diǎn)的溫度波動是同時進(jìn)行的，但是在每個溫度測點(diǎn)上，溫度的波動程度是不同的（波動程度是指在溫度波動波峰與波谷之間的差值）。補(bǔ)償器入口的溫度波動最大，蒸汽管路、蒸發(fā)器出口、蓋板等位置的溫度波動次之，冷凝出入口波動最小。這是因為當(dāng)施加很小的熱負(fù)荷時，蒸發(fā)腔內(nèi)產(chǎn)生了少量的蒸汽，蒸發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷凝效率，冷凝器只需一小段便可以完成對蒸汽的過冷，冷凝段便向蒸汽管路延伸，導(dǎo)致環(huán)路熱管蒸發(fā)管路與冷凝段內(nèi)充滿液體，補(bǔ)償腔內(nèi)剩余少量液體。低功率下產(chǎn)生的蒸汽會有一個在蒸汽槽道內(nèi)聚集的過程，而此時蒸汽穿透毛細(xì)芯進(jìn)入補(bǔ)償腔中，補(bǔ)償腔中被不斷加熱，補(bǔ)償室內(nèi)存在的少量液體被加熱成氣泡，此時補(bǔ)償器內(nèi)氣泡含量居多。隨著加熱負(fù)荷的上升，通過毛細(xì)芯的抽吸，過冷回流液體被泵吸到補(bǔ)償器內(nèi)，回流液體將產(chǎn)生的氣泡湮滅。與此同時，增加熱負(fù)荷會加大底座與蓋板之間的熱傳導(dǎo)，從而有利于氣泡的再次產(chǎn)生。隨著熱負(fù)荷的增加，補(bǔ)償腔內(nèi)的氣泡越來越少。當(dāng)熱負(fù)荷到達(dá)一定大小后，補(bǔ)償腔完全被液體占據(jù)，氣泡消失，溫度波動消失，這也是補(bǔ)償器入口溫度波動最大的原因。根據(jù)溫度波動的大小和頻率情況可將溫度波動分為以下兩類：①大波動（溫度波動在10℃以上，周期在10min以上）[圖6(a)]；②微小波動（溫度波動較小，溫度波動頻率快）[圖6(b)]。

圖6 環(huán)路熱管不同加熱功率溫度波動

圖7 及圖6(b)所示為不同充灌率對溫度波動的影響。由圖7可知，在50%和60%充灌率下，環(huán)路熱管正常平穩(wěn)啟動，而70%充灌率下，系統(tǒng)在啟動時產(chǎn)生了劇烈的波動。分析其原因為：在相同的啟動功率和熱沉溫度下，在系統(tǒng)內(nèi)部液體體積較少時，充灌率對補(bǔ)償腔內(nèi)的氣液分布影響不大。換句話說，小的充灌率下補(bǔ)償室的熱容相差不大，因此溫度波動不明顯。隨著充灌液體增加，系統(tǒng)內(nèi)部需要更高的蒸汽壓力來克服增加的阻力和流體慣性，蒸汽壓力升高帶來了蒸發(fā)腔溫度的上升，環(huán)路熱管的軸向?qū)岷捅诚蚵嵝?yīng)會更加明顯，補(bǔ)償室接收了更多的熱量，補(bǔ)償室內(nèi)的熱容差異增大，所以在相同的啟動功率和熱沉溫度下，大充灌率會導(dǎo)致顯著的溫度波動。

圖7 不同充灌率環(huán)路熱管溫度波動圖

3.3 變負(fù)荷運(yùn)行

圖8為環(huán)路熱管變負(fù)荷溫度特性曲線。在負(fù)荷發(fā)生改變的過程中，環(huán)路熱管系統(tǒng)能夠較快地適應(yīng)外來熱負(fù)荷的變化并獲得新的熱平衡，繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。25W 功率下環(huán)路熱管穩(wěn)定啟動，隨著熱負(fù)荷的降低，環(huán)路熱管的整體運(yùn)行溫度會降低。但是由圖8可知，在不同的功率區(qū)間內(nèi)，降低熱負(fù)荷獲得的溫降卻不同。相比于其他升功率階段，在10～5W 降功率過程中，溫度降低較大且一段時間后，因為環(huán)路熱管蒸汽量不足，環(huán)路熱管各部分溫度有發(fā)生震蕩的趨勢。

圖8 環(huán)路熱管變負(fù)荷溫度特性

3.4 熱阻

圖9為充灌率為50%、60%和70%時系統(tǒng)熱阻隨功率變化的關(guān)系。由圖可知，加熱功率愈大系統(tǒng)熱阻愈??；低負(fù)荷下充灌率對熱阻的影響比高負(fù)荷下大。這是由于低負(fù)荷下系統(tǒng)吸收的熱量小，系統(tǒng)熱損失對系統(tǒng)傳熱具有較大的影響。蒸發(fā)器到冷凝器傳遞的熱量減小勢必造成系統(tǒng)熱阻增大。類似地，低負(fù)荷下較低的充灌率使得傳遞熱量的工質(zhì)減小，進(jìn)一步增大了系統(tǒng)的熱阻。高負(fù)荷下則與之相反。圖10 為加熱功率為15W 時熱阻與充灌率的關(guān)系。由圖10 可知，隨著充灌率的增大系統(tǒng)熱阻先增大再減小，當(dāng)充灌率為60%時系統(tǒng)的熱阻最小。這是因為較低的充灌率使得系統(tǒng)中氣相所占空間增大，較高的過熱才能驅(qū)動蒸汽循環(huán)，并且充灌率較低，系統(tǒng)傳遞的熱量也會降低，由此造成熱阻較大。而較大的充灌率則會使得系統(tǒng)氣相空間較小，汽化量降低，進(jìn)而增大了系統(tǒng)熱阻。

圖9 環(huán)路熱管熱阻隨功率變化圖

圖10 環(huán)路熱管熱阻隨充灌率變化圖

4 結(jié)論

本文通過冷壓燒結(jié)法制備了鎳材毛細(xì)芯，研究了環(huán)路熱管系統(tǒng)的啟動和溫度波動特性，分析了系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行及其熱阻變化，主要結(jié)論如下。

（1）熱管在5～25W加熱功率下均可成功啟動，隨著熱負(fù)荷的增大，啟動時間相應(yīng)縮短；低負(fù)荷下，熱管的蒸發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷凝效率，加熱功率在20W左右時蒸發(fā)效率與冷凝效率相等。

（2）熱管在5W和10W加熱功率下啟動均存在溫度波動。隨著功率的增大，溫度波動會慢慢變小直至消失，在相同的啟動功率和熱沉溫度下，大充灌率會導(dǎo)致顯著的溫度波動。

（3）熱阻隨著熱負(fù)荷的增加而減小，當(dāng)熱負(fù)荷較小時，熱阻受熱負(fù)荷影響較大，反之受熱負(fù)荷影響較小；在低功率的條件下，充灌率對系統(tǒng)熱阻的影響較大；高功率下影響較??；實(shí)驗條件下，充灌率為60%時系統(tǒng)的熱阻最小。