平板式環路熱管性能的實驗

張 先 鋒

（中國電子科技集團第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

研究開發

平板式環路熱管性能的實驗

張 先 鋒

（中國電子科技集團第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

針對一款基于并聯式平板蒸發器的小型環路熱管進行了實驗研究，分析了冷凝器位置以及擺放方式對環路熱管運行性能的影響。實驗表明：該環路熱管能在低功率（20 W）時各種擺放方式下順利啟動，并具有良好的工作性能，其最大熱負荷達到130 W，此時熱阻為0.21 ℃/W；該熱管水平放置時，蒸汽管線長度越短，啟動性能越好，最大熱負荷越大；運行功率越大，蒸汽管線長度對運行性能的影響越明顯。并聯式平板環路熱管具有很好的反重力特性，能夠在各種豎直放置狀態下正常運行；該環路熱管豎直放置且儲液器位于蒸發器下方時，系統的運行性能最好。

環路熱管；平板式蒸發器；冷凝器；反重力性能；運行特性

隨著科技的發展，大功率LED、紅外探測陣列、大功率固體激光器、高性能微處理器等光電/微電子芯片（下文簡稱“芯片”）及其應用系統向著微型化及其集成化的趨勢發展，導致狹小空間內產生了較高的熱流密度，因此熱管理成為其發展的一個關鍵問題。環路熱管（loop heat pipe，LHP）作為一種新型高效的兩相傳熱裝置，具有傳熱效率高、傳熱距離遠、結構布置靈活等特點，是解決上述問題的一種有效方案，其是傳統熱管技術的延伸，利用液體工質相變過程來完成熱量傳遞和輸送，在航天器的熱管理和電子設備散熱等方面已得到廣泛關注和應用，顯現了巨大的優勢和發展前景[1-4]。

為滿足高集成度、高熱流密度電子設備的散熱要求，環路熱管向著微小型化的趨勢發展，這是當前環路熱管的重要發展方向。環路熱管在微小型化過程中出現了3種結構的蒸發器，分別為圓柱型、串聯式平板型和并聯式平板型。圓柱型蒸發器是通過縮小大型環路熱管的尺寸得到的[1]，需要和馬鞍型導熱塊配合才能完成電子設備的熱控，接觸熱阻較大，傳熱效率低，不便于封裝。為此，研究者們設計了后兩種平板型蒸發器，其傳熱效率相對較高，且便于電子裝置的封裝等[3]。它們差別在于儲液器布置方式不同。其中串聯式平板蒸發器的儲液器位于蒸發器的厚度（縱向）方向上[2-6]，其可以有效利用重力作用將液體工質回流到毛細芯中，但其厚度（10 mm以上）相對較大，對擺放方式有一定要求，即儲液器不能位于蒸發芯下方，使用范圍受到限制；而在并聯式平板蒸發器中，儲液器位于蒸發器的橫向方向上，厚度相對較小，一般小于10 mm，更適合狹小空間下的應用，且具有很好的反重力特性[7-9]。針對串聯式平板型環路，蓋東興[3]、Singh等[4]、莫冬傳等[5]、周海迎[6]開展了系統化的研究，分析了該類型熱管的啟動及運行性能、反重力特性、溫度脈動等問題。由于受到蒸發器結構的限制，儲液器和蒸發芯相對位置的影響研究不夠全面。針對并聯式平板環路熱管，Wang等[7-8]嘗試將其應用到GPU的冷卻，并開展了相應的性能研究和理論分析。Becker等[9]研究了環路熱管的運行特性，僅考察了冷凝器和蒸發器相對位置固定時反重力的性能，而儲液器和蒸發芯相對位置的影響也考慮不足。

綜上所述，作為一種新型熱管，并聯式平板環路熱管已開展了一定的研究，但對該熱管的結構以及運行特性等研究不足。為此，本文作者針對一款基于并聯式蒸發器的小型環路熱管開展了詳細的實驗研究，通過改變冷凝器位置以及擺放方式，系統地分析該環路熱管的運行特性和反重力特性。

1 實驗系統簡介

圖1為實驗中所使用環路熱管的結構示意圖，包括蒸發器、儲液室、蒸汽管線、液體管線和冷凝器5個主要部分，蒸發器的截面圖如圖1(b)所示，其中蒸發器包含有蒸發芯、蒸汽槽道以及儲液器，儲液器位于蒸發芯的長度方向上，蒸發芯是由 120目的銅粉燒結而成。在蒸發芯的表面，有12個蒸汽槽道，用于蒸汽的流動。蒸汽和液體管線均為紫銅圓管，外徑和內徑分別為3 mm和2.4 mm。使用恒溫水槽來冷卻環路熱管的冷凝部分，為了研究冷凝

器位置的影響狀況，實驗中冷凝器分別位于兩個位置，如圖 1(a)所示。位置 1距離儲液器相對較近，位置2位于位置1的右側10 cm處。采用水作為工作介質，充液量為（11±0.5）g，相應的充液率約為55%。實驗所測環路熱管的詳細結構參數如表1所示。

圖1 環路熱管示意圖

表1 環路熱管結構參數

圖2為實驗測試系統和相應熱電偶的位置。實驗中使用加熱塊來模擬熱源，通過直流穩壓電源（0～35 V，20 A）來調節供應給蒸發器的熱量，在加熱塊和蒸發器之間涂抹導熱硅膠，以減少接觸熱阻。使用可控溫的恒溫水槽來模擬不同溫度的熱沉。系統中布置了9個OMEGA公司生產的標準K型熱電偶（測量精度為±0.5 ℃，最大測量誤差為2.5%），位置如圖 2所示。使用安捷倫數據采集儀（Agilent 34970A）來記錄環路熱管各個特征點的溫度變化過程，記錄和保存數據的周期為2 s。根據熱電偶、加熱模塊的測試精度，系統熱阻的最大測量誤差為6%，實驗中使用恒溫水槽來冷卻冷凝部分，冷凝水溫度為 25 ℃。測試過程中環境溫度為（25±2）℃。對于電子元器件，為了保證工作的可靠性和穩定性，一般要求工作溫度低于100 ℃。在本文中當環路熱管的運行溫度為（100±3）℃時的功率即為最大熱負荷（Qmax），此時熱管并未出現燒干現象，仍可繼續工作。

圖2 實驗測試系統及熱電偶位置

2 結果與討論

在環路熱管中，冷凝器位置的改變將造成系統管線中汽液分布存在很大差異，這將造成工質在系統內流動阻力發生變化，影響系統的運行性能。下文將針對圖1所示的兩個冷凝器位置來分析環路熱管的運行特性，并通過改變環路熱管的擺放方式，來考察不同條件下環路熱管反重力特性。

2.1 冷凝器位置的影響

圖3給出了該環路熱管中冷凝器位于位置1和位置2時的運行特性，實驗中熱管為水平放置。由圖3(a)可見，當冷凝器處于位置1、在20 W時，熱管能夠實現啟動，但隨后出現了不穩定現象，冷凝器進口溫度 T4和儲液器進口溫度T6出現了劇烈地振動，而蒸發器的加熱面溫度T1相對比較穩定，未出現較大的溫度脈動。當熱負荷增加到30 W時，環路熱管的運行溫度（T1）增加，T4和T6的溫度脈動幅度隨之減小，運行趨于穩定。此后，隨著熱負荷的增加，運行溫度在不短升高，當熱負荷為80 W時，T1達到了102 ℃，即最大熱負荷（Qmax）為80 W。圖3(b)為冷凝器位于位置2時的運行情況，在熱負荷為20 W時，環路熱管實現了穩定運行，各個溫度測量點無大幅度的溫度脈動現象，隨著熱負荷的增大，運行溫度不斷升高，當Q＝130 W時，蒸發器表面溫度T1為102 ℃，達到了最大熱負荷。

圖3 不同條件下的運行狀況

圖4為不同冷凝器位置下運行溫度（T1）和熱阻。由圖4(a)可見，在20 W時，位置1和位置2的T1僅相差2 ℃，而在90 W時，它們的T1相差了15 ℃，即隨著熱負荷的增大，兩種狀況下環路熱管的運行性能相差不斷變大。圖4(b)為不同狀態下熱阻隨熱負荷的變化狀況，這里熱阻定義如下：R=（ T1- TC）/Q，其中，R為熱阻，T1為蒸發器表面溫度，TC為冷凝器平均溫度，即TC= （T4+ T5）/2，Q為加熱功率。可見，當冷凝器位于位置2時熱阻一直低于位置1的狀態，如當熱負荷為80 W時，位置1和位置2的熱阻分別0.53 ℃/W和0.38 ℃/W，而當熱負荷為130 W，位置2的熱阻僅為0.21 ℃/W。

圖4 不同冷凝器位置下運行特性

由圖3和圖4可見，當冷凝器位于位置2時環路熱管啟動更為穩定，相同熱負荷下運行溫度低，系統熱阻小。比較位置1和位置2可以發現，冷凝器位置的不同將導致系統中汽相管線和液相管線的長度存在差異，冷凝器位于位置1時汽相管線較長。對于本實驗中所測試的熱管，其蒸發器中毛細芯的滲透率較大（約為5×10-11m2），毛細芯中的流動阻力較小，數值分析結果表明：毛細芯中的流動阻力約為管線的15%，因而，管線流動阻力的變化將會顯著影響的系統運行特性[8]。

在環路熱管的各個管線中，Re一般小于100，屬于層流流動，其內部的流動阻力可以采用式（1）來計算。

式中，L為管線長度；d為管線內徑；v、m˙和ρ分別為管內工質的運動黏度、質量流量和密度。在80 ℃時，飽和水蒸氣和飽和水的運動黏度之比為108，而在本文所研究的環路熱管中，汽、液相管線的內徑是相同的，而系統在運行過程中，質量流量也是相同的，由式（1）可見，相同長度下蒸汽在管線中的流動阻力遠大于液體工質的阻力。從圖1可以發現，當冷凝器位于位置1時，蒸汽管線長度比位置2的長了10 cm，相應系統的流動阻力較大，導致冷凝器位于位置 1時環路熱管的運行性能較差。由圖4可見，該環路熱管在低功率（20 W和30 W）時，位置1和位置2的運行溫度T1差別較小，這是由于系統中工作介質的循環速度較小，管線中流動阻力的差異不大。隨著熱負荷的增加，運行溫度T1的差異逐漸增大，當熱負荷為90 W時，冷凝器位于位置1要高15 ℃。這是由于隨著熱負荷的增加，系統中工質的循環速度增大，相應地管線中工質的流量增加，兩種狀況下系統的流動阻力差異隨之增大，冷凝器位于位置1流動阻力增大，運行效率較低，熱阻較大，運行溫度也增加得更快。

綜上所述，對于并聯式平板環路熱管水平放置時，冷凝器和蒸發器的相對位置將直接影響熱管的啟動和運行特性，當冷凝器靠近蒸發器出口即蒸汽管線的長度越短時，熱管的啟動和運行性能越好，最大熱負荷越大，熱阻越小；隨著運行功率的增大，管線長度對熱管運行性能的影響更為明顯，即在相同熱負荷下位置1和位置2運行溫度差（ΔT1）不斷變大。

2.2 反重力性能

由2.1節可知，該環路熱管在冷凝器位于位置2時運行性能較好。為此，下文將以冷凝器位于位置2為基礎，研究環路熱管的反重力特性。圖5為環路熱管豎直放置時4種不同的放置方式，它們分別為冷凝器在上方和冷凝器在下方以及儲液器在蒸發區域上方和在蒸發區域下方。

圖5 環路熱管在豎直放置時的4種擺放方式

圖6 不同擺放方式下的啟動過程

圖6為4種擺放方式下的啟動過程，熱負荷均為20 W。對比圖6(a)和圖6(b)可以發現，當冷凝器在蒸發器上方[圖6(a)]時，可以實現順利啟動，在啟動過程中出現了溫度過沖（overshoot）現象；啟動運行溫度較低，在穩定運行后蒸發器表面溫度T1僅為51.3 ℃，且此后運行比較穩定。而當冷凝器位于蒸發器下方[圖 6(b)]時，在啟動過程中出現了溫度脈動現象，其中冷凝器進口溫度T4的振動幅度最大，這是由于熱功率不足，引起毛細芯中的驅動力不足，導致氣態工質進入冷凝器時的流量在不斷變化所導致的[3]。當冷凝器在上方時，由于重力作用，有利于液態工質回流到蒸發器中，啟動性能好，運行溫度較低。但在啟動初始階段，由于重力作用，蒸汽槽道中有液體工質存在，因而蒸發器中需要聚集更大熱量來實現工質在系統中的循環，溫度較高，在啟動開始后由于重力的輔助作用，運行效率提高，運行溫度隨之下降[2]。

對比圖 6(c)和圖 6(d)可以發現，在圖 6(c)中，儲液器位于蒸發芯的上方，其運行溫度T1明顯高于圖6(d)，啟動后蒸發器表面溫度T1能夠穩定運行，但是冷凝器進口溫度 T4和儲液器進口溫度 T6出現了較大的溫度波動。當平穩運行時，T1達到87.1 ℃。在圖6(d)中，環路熱管能夠順利啟動，并實現了穩定運行，但在啟動過程中出現了溫度過沖現象，當穩定運行時，T1僅為70.3 ℃。由此可見，當儲液器位于蒸發器下方時啟動性能更好，這是由于兩個方面的原因造成的：一是冷凝器和儲液器相對位置的影響，對比圖1和圖5時可以發現，當環路熱管處于圖5(d)狀態時，冷凝器高于儲液器，這將有利于冷凝后液體工質回流到儲液器，進而啟動性能更好；二是蒸汽流向不同也造成了冷凝器中換熱能力存在差異，在圖5(d)狀態時，蒸汽向下流動，與重力作用方向相同，這將增大凝液的速度，降低壁面液膜厚度，強化了傳熱過程[10]，使得冷凝器換熱能力更強，啟動性能更好。

圖7為5種擺放方式下環路熱管運行溫度（T1）隨熱負荷的變化過程。由圖可見，在低功率時，由于重力的輔助作用，冷凝器位于蒸發器上方[圖5(a)]時運行溫度T1最低，而隨著熱負荷的增加，該狀態下的運行溫度不斷升高，當熱負荷超過80 W時，儲液器位于蒸發器下方[圖5(d)]時的運行溫度最低，當超過100 W時，圖5(a)狀態下的運行溫度超過了水平放置時的情況。在此過程中，冷凝器位于上方[圖5(b)]和儲液器位于上方[圖5(c)]時，由于重力的副作用，運行溫度均高于環路熱管水平放置，而儲液器位于下方[圖 5(b)]時正好相反，其運行溫度一直低于水平放置的狀態，總體運行狀況最好。

圖7 不同擺放方式下環路熱管運行溫度T1隨熱負荷變化情況

由此可見，該環路熱管可以在低功率（20 W）和高功率時各種豎直放置狀態下正常運行，具有很好的反重力特性。對比圖7中5種運行狀態可以看出，由于重力的輔助作用，當儲液器位于蒸發器下方時系統的運行性能最好。

3 結 論

通過大量的實驗，研究了平板環路熱管中冷凝器位置以及擺放方式對系統啟動過程和運行性能的影響，主要結論如下。

（1）并聯式平板型環路熱管能夠在低功率（20 W）時各種放置狀態下順利啟動，并具有良好的工作性能，最大熱負荷達到130 W，此時熱阻為0.21℃/W。

（2）對于本環路熱管，冷凝器距離蒸發器蒸汽出口越近，即蒸汽管線長度越短時，熱管的啟動性能越好，最大熱負荷越大，熱阻越小。隨著運行功率的增大，蒸汽管線長度對運行性能的影響也更明顯。

（3）并聯式平板型環路熱管能夠在各種豎直放置狀態下正常啟動和運行，具有很好的反重力特性。對比各個運行狀態可以發現，當環路熱管豎直放置且儲液器位于蒸發器下方時，系統的運行性能最好。

[1] Maydanik Y F. Loop heat pipes [J]. Applied Thermal Engineering，2005，25（5-6）：635-657.

[2] Ku J. Operating characteristics of loop heat pipes [C]// 29th International Conference on Environmental System，Denver，USA，1999.

[3] 蓋東興. 小型平板環路熱管的實驗研究與系統仿真[D]. 武漢：華中科技大學，2009.

[4] Singh R，Akbarzadeh A，Mochizuki M. Operational characteristics of a m iniature loop heat pipe w ith flat evaporator [J]. International Journal of Thermal Sciences，2008，47（11）：1504-1515.

[5] 莫冬傳，陳粵，呂樹申. 高效平板式兩相回路熱管的實驗研究[J].工程熱物理學報，2007，28（s1）：229-232.

[6] 周海迎. 平板式環路熱管實驗研究[D]. 南京：南京理工大學，2006.

[7] Lin Z R，Lee Z Y，Zhang L W，et al. An experimental study of heat transfer characteristics in m iniature loop heat pipes w ith rectangular shape evaporator and applications in cooling GPU [C]//InterPACK 2011-52017，July 6-8，2011，Portland，Oregon，USA.

[8] Zhang Xianfeng，Li Xuanyou，Wang Shuangfeng. Three-dimensional simulation on heat transfer in the flat evaporator of miniature loop heat pipe [J]. International Journal of Thermal Sciences，2012，54：188-198.

[9] Becker S，Vershinin S，Sartre V，et al. Steady state operation of a copper-water LHP w ith a flat-oval evaporator [J]. Applied Thermal Engineering，2011，31（5）：686-695.

[10] 王補宣. 工程傳熱傳質學（下冊）[M]. 北京：科學出版社，2002.

Experimental investigation on the performance of loop heat pipe w ith flat evaporator

ZHANG Xianfeng
（China Electronics Technology Group Corporation No. 38 Research Institute，Hefei 230088，Anhui，China，）

To investigate the effect of condenser location and gravity on operating performance，a miniature loop heat pipe w ith series flat evaporator were tested. The results show that the loop heat pipe can start up successfully at various positions under a low heat load （20 W） and have good operating performance w ith Qmax=130 W and R=0.21℃/W. At horizontal position，the loop heat pipe w ith shorter vapor line has better start-up performance and higher Qmax. Under a higher heat load，the effect of condenser location on operating performance becomes more noticeable. It is found that a loop heat pipe w ith series flat evaporator has good anti-gravity capability and can operate w ith all elevations and tilts. When the loop heat pipe is at vertical position w ith compensation chamber above the evaporator，its operating performance is the best under the gravity field.

loop heat pipe；flat evaporator；condenser；anti-gravity capability；operating performance

TK 172.4

A

1000-6613（2012）06-1200-06

2011-12-17；修改稿日期：2013-03-03。

張先鋒（1979—），男，博士，工程師，主要從事工業節能、電子設備熱管理以及微尺度流動與傳熱方面研究。E-mail zzxxff@mail.astc.edu.cn。