加速度作用下環(huán)路熱管工作特性實(shí)驗(yàn)

謝永奇，于印，解立垚，高紅霞，余建祖

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191;2.北京航空航天大學(xué) 人機(jī)工效與環(huán)境控制國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率、高集成度電子設(shè)備在航空航天領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，由此產(chǎn)生的大散熱量、高局部熱流使得電子設(shè)備的熱管理成為突出的問題［1］.傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)已難以滿足其散熱要求，環(huán)路熱管(LHP)技術(shù)為這一問題的解決提供了有效手段［2-3］.作為一種高效兩相傳熱裝置，環(huán)路熱管以傳輸熱量大、輸送距離遠(yuǎn)、傳熱效率高、重量輕、反重力能力強(qiáng)和無需外加動(dòng)力裝置等特點(diǎn)，在航天器熱控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［4-5］.

飛行器在做機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，機(jī)載電子設(shè)備往往承受來自各個(gè)方向、不同大小的過載加速度作用，在這種加速度場中，LHP的工作特性會(huì)發(fā)生變化.國外針對常規(guī)單儲(chǔ)液器LHP在過載加速度環(huán)境中的工作性能進(jìn)行了一些研究，Ku等［6-7］針對氨工質(zhì)的小型LHP在變加速度力載荷作用下的啟動(dòng)特性和工作性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，離心加速度范圍為1.2g ～4.8g(g=9.8m/s2)，所有實(shí)驗(yàn)工況下LHP均可以啟動(dòng)和工作，但是加速度導(dǎo)致了LHP溫度振蕩現(xiàn)象.Fleming等［8］針對工質(zhì)為水的LHP進(jìn)行了重力場和加速度場下工作性能實(shí)驗(yàn)，在0g～10g變加速度和100～400 W熱載荷下LHP出現(xiàn)了燒干現(xiàn)象.Yerkes等［9］針對正弦周期性加速度環(huán)境下LHP的瞬態(tài)工作性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某些情況下過載加速度導(dǎo)致了LHP運(yùn)行失敗.

雙儲(chǔ)液器環(huán)路熱管是在常規(guī)單儲(chǔ)液器LHP基礎(chǔ)上提出的，它在常規(guī)LHP蒸發(fā)器兩端布置兩個(gè)儲(chǔ)液器，使其在飛行器以任何姿態(tài)飛行時(shí)都能對毛細(xì)芯有效供液，以解決運(yùn)行姿態(tài)受限問題［10］.

目前，針對DCCLHP的研究進(jìn)展較為緩慢，早期俄羅斯國家科學(xué)院熱物理研究所曾為美國空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL)設(shè)計(jì)了一套雙儲(chǔ)液器環(huán)路熱管，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在不同姿態(tài)和加速度環(huán)境下均能運(yùn)行的能力［11-12］.中國空間技術(shù)研究院的張紅星等［13］、北京航空航天大學(xué)的林貴平等［14-16］針對DCCLHP進(jìn)行了大量的研究，開展了不同蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器姿態(tài)下DCCLHP控溫規(guī)律、工作特性、溫度遲滯、溫度波動(dòng)以及可視化研究工作，取得了一定的研究成果.但是，對于DCCLHP在過載加速度場中工作性能的詳細(xì)研究還未見有公開報(bào)道.因此，開展加速度作用時(shí)DCCLHP工作特性實(shí)驗(yàn)研究是非常必要的.本文基于恒加速度離心機(jī)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究不同加熱功率時(shí)DCCLHP受到不同大小和方向加速度作用時(shí)的工作特性，分析加速度效應(yīng)對DCCLHP工作性能的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí) 驗(yàn) 件

所用實(shí)驗(yàn)件為一套氨-不銹鋼DCCLHP，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，為便于說明，無液體引管穿過的儲(chǔ)液器為儲(chǔ)液器1，有液體引管穿過的為儲(chǔ)液器2.蒸發(fā)器外徑/內(nèi)徑 ×長度為 20 mm/18 mm×209 mm，冷凝器管線外徑/內(nèi)徑×長度為3 mm/2.6 mm×2200 mm，蒸氣、液體管線外徑/內(nèi)徑 ×長度為3 mm/2.6 mm×225 mm/250 mm，儲(chǔ)液器體積為 0.689 m3.

1.2 實(shí) 驗(yàn) 臺(tái)

采用Y53100-3/ZF型恒加速度離心機(jī)模擬加速度環(huán)境.如圖2所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)、加熱與測量控制子系統(tǒng)、加速度模擬子系統(tǒng)組成.冷卻水循環(huán)子系統(tǒng)由恒溫水槽、質(zhì)量流量計(jì)、磁力泵、調(diào)節(jié)閥、過濾器、換熱器、冷板等組成，為LHP的冷凝器提供冷卻水;加熱與測量控制子系統(tǒng)由恒壓恒流直流電源、電加熱膜、Agilent數(shù)據(jù)采集儀、Pt100溫度傳感器、計(jì)算機(jī)等組成，用于對實(shí)驗(yàn)件加熱、控制及數(shù)據(jù)采集、記錄;加速度模擬子系統(tǒng)由變頻器、地坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主電機(jī)、轉(zhuǎn)臂、液體轉(zhuǎn)換裝置、電信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置、接線箱、控制計(jì)算機(jī)等組成，用于模擬加速度環(huán)境.

薄膜型電阻加熱片均勻?qū)ΨQ地貼于蒸發(fā)器外殼上，通過導(dǎo)線將加熱片與直流電源相連，改變電源的電壓值則可模擬蒸發(fā)器上不同的熱載荷.

DCCLHP冷凝器為嵌在紫銅片上的蛇形不銹鋼管，紫銅片與水冷冷板采用螺栓固定，之間涂高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱脂以減小熱阻.DCCLHP和冷板固定在工裝箱體內(nèi)，而工裝箱體固定在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上.為減小漏熱，DCCLHP各部分包覆橡塑保溫棉，同時(shí)在工裝箱體內(nèi)填充硅酸鋁棉.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖Fig.2 Experimental system principle schematic

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定轉(zhuǎn)臂上實(shí)驗(yàn)件安裝位置處離心加速度的大小和啟動(dòng)時(shí)間，各工況下離心機(jī)啟動(dòng)時(shí)間均設(shè)為30s，最大運(yùn)行時(shí)間為1h.實(shí)驗(yàn)件外形尺寸為565 mm×469 mm×25 mm，安裝在工裝箱體底面上，通過設(shè)置離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，確保DCCLHP各部分承受的加速度值滿足GB/T 2423.15規(guī)定的90%～130%.

采用Pt100鉑電阻測量DCCLHP各部分溫度，因內(nèi)部工質(zhì)溫度難以測量，Pt100均布置在部件壁面上.如圖3所示，共有16個(gè)測溫點(diǎn)，其中TC1，TC12，TC13分別布置在液體管線進(jìn)口、出口和中間壁面上，TC2～TC6布置在冷凝器管線上，TC7和TC8位于蒸氣管線進(jìn)口和中間壁面上，TC9和TC11位于儲(chǔ)液器上表面，TC10布置在蒸發(fā)器上表面.TC15，TC14用于測量冷卻水進(jìn)出口溫度，TC16用來記錄環(huán)境溫度.

圖3 DCCLHP測溫點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic of DCCLHP measuring temperature locations

1.3 試驗(yàn)方案

考慮到單儲(chǔ)液器LHP在蒸發(fā)器位于冷凝器上方時(shí)或受過載離心力時(shí)可能導(dǎo)致其無法正常運(yùn)行的問題，針對如下兩種布置方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn):

1)布置方式A——工裝箱體水平安裝在轉(zhuǎn)臂上，蒸發(fā)器軸線沿轉(zhuǎn)臂徑向，儲(chǔ)液器1靠近轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸;

2)布置方式B——工裝箱體水平安裝在轉(zhuǎn)臂上，蒸發(fā)器軸線沿轉(zhuǎn)臂徑向，儲(chǔ)液器2靠近轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸.

針對上述兩種加速度方向，在加熱載荷為150，200，250和300 W 情況下，先在地面重力場中啟動(dòng)和運(yùn)行DCCLHP，達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后再進(jìn)行1g，3g，5g，7g 加速度大小時(shí) DCCLHP 工作性能實(shí)驗(yàn)，恒溫水槽冷卻水溫度控制在19±0.5℃.

1.4 誤差分析

實(shí)驗(yàn)前對所有Pt100在10～55℃范圍內(nèi)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定后溫度測量誤差小于0.5℃，實(shí)驗(yàn)中的最小溫度為19℃，溫度測量的最大不確定度為2.6%.加熱電源的電流電壓顯示精度為±0.1%讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)中電流電壓的最小值分別為1.5 A和100 V，則電流電壓的最大不確定度分別為0.33%和0.25%，相應(yīng)的加熱功率的最大不確定度為0.41%.離心加速度值的控制精度為±5%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 布置方式A

圖4分別給出了不同加熱功率時(shí)DCCLHP在地面重力場中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再分別施加1g，3g，5g和7g加速度時(shí)各測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為23℃，冷卻水溫度為21℃.在加熱功率為150W時(shí)，DCCLHP先在地面重力場中工作至穩(wěn)定狀態(tài)，再施加1g加速度，然后卸載;對于3g，5g，7g工況，重復(fù)上述過程，可以得到如圖4(a)所示的溫度變化曲線.在200 W加熱功率時(shí)，DCCLHP在重力場環(huán)境中工作至穩(wěn)定狀態(tài)后連續(xù)進(jìn)行了1g和3g過載實(shí)驗(yàn)，然后再由重力場啟動(dòng)DCCLHP至穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行了5g和7g實(shí)驗(yàn)，如圖4(b)所示.250 W和300 W加熱功率時(shí)連續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，過載加速度作用下溫度變化規(guī)律相似.

由圖4(a)可以看出，在重力場環(huán)境中，150 W加熱功率下DCCLHP工作至穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間為3 600 s，4次實(shí)驗(yàn)工作溫度 TC10在 50.5～51.5℃，儲(chǔ)液器 1和 2的溫度分別為 45.1～46.2℃和39～40℃.施加過載加速度后，蒸發(fā)器、蒸氣管線、儲(chǔ)液器溫度均不斷減小，尤其是儲(chǔ)液器2，在施加過載后溫度急劇降低，而液體管線出口TC12、冷凝器測點(diǎn)TC2溫度幾乎不變.

隨著加速度的增大，蒸發(fā)器、蒸氣管線、儲(chǔ)液器溫度降低的幅度逐漸減小，且在離心機(jī)規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，7g加速度時(shí)DCCLHP經(jīng)過2400s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，TC10溫度為46.5℃，相對于重力場時(shí)降低了5℃左右，而1g，3g，5g時(shí)DCCLHP未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).這表明在該布置方式下，過載加速度越大越有利于DCCLHP的穩(wěn)定工作.

在200 W和250 W加熱功率，1g，3g，5g過載時(shí)，DCCLHP未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，7g時(shí)DCCLHP經(jīng)過1200s和900s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，蒸發(fā)器溫度分別為42.4℃和40.5℃，過載加速度作用使得蒸發(fā)器溫度降低，加速度越大TC10溫度降低幅度越小.

圖4 布置方式A不同加熱功率和加速度下DCCLHP溫度變化曲線Fig.4 Temperature vs time at different heat power and elevated acceleration for DCCLHP in A arrangement

根據(jù)冷凝器測點(diǎn)TC2溫度及其出口測點(diǎn)TC1溫度可知，150，200，250 W時(shí)冷凝器出口液體工質(zhì)為過冷狀態(tài)，DCCLHP工作在可變熱導(dǎo)區(qū).因此在7g時(shí)，加熱功率增大，冷凝器的有效利用率增大，運(yùn)行溫度降低.

在300 W 時(shí)，1g，3g，5g和 7g時(shí) DCCLHP 均在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，所對應(yīng)的工作溫度分別為 42.1，41.7，41.4 和 41.2℃，加速度對其影響較小.由于 TC1已經(jīng)超過33℃，這說明300 W時(shí)冷凝器已經(jīng)全部被打開，DCCLHP工作在固定熱導(dǎo)區(qū).因此，7g時(shí)加熱功率由250 W增大到300 W時(shí)，工作溫度升高.

與其他功率不同的是，在地面重力場中冷凝器出口TC1、液體管線出口TC12溫度出現(xiàn)了波動(dòng)，而且在加速度作用初始階段與卸載階段溫度波動(dòng)更趨劇烈.其原因可能是:TC1出現(xiàn)波動(dòng)是由工質(zhì)充裝量與儲(chǔ)液器體積不匹配造成［16］.在受加速度作用后，離心力作用使得冷凝器管道內(nèi)管壁處的液膜厚度減小，冷凝換熱系數(shù)增大，工質(zhì)獲得更多的冷量，因此TC2溫度降低，回流工質(zhì)的過冷度增加，TC1，TC12降低，回流液體工質(zhì)對儲(chǔ)液器2的冷卻作用增強(qiáng)，因此TC11也降低.隨著加速度的增大，冷凝器的冷凝效率也增大，回流工質(zhì)的過冷度增大，相應(yīng)的TC1，TC12，TC11的降低幅度增大.而在加速度卸載階段，各點(diǎn)溫度變化與初始階段相反，各點(diǎn)溫度會(huì)回升至地面重力場情況.

2.2 布置方式B

圖5分別給出了加熱功率為150 W和250 W時(shí)DCCLHP在地面重力場啟動(dòng)并工作至穩(wěn)定狀態(tài)后再施加1g，3g，5g和7g加速度時(shí)各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為26℃，冷卻水溫度為21℃.200 W與300 W工況下DCCLHP各測點(diǎn)溫度變化趨勢與150 W和250 W時(shí)的相似，但TC1和TC12未出現(xiàn)波動(dòng).在地面重力場運(yùn)行時(shí)，DCCLHP穩(wěn)定工作溫度在150 W時(shí)為47℃，250 W時(shí)為40.8℃.

圖5 加熱功率為150 W和250 W時(shí)DCCLHP溫度變化曲線Fig.5 Temperature vs time at heat power 150W and 250W for DCCLHP

在加熱功率為150 W時(shí)，加速度作用后TC1，TC12略有升高，TC10，TC9和TC11均降低，經(jīng)過約 1000 s后，運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)，1g，3g，5g 和 7g 時(shí)對應(yīng)的穩(wěn)定工作溫度分別為 34.1，34.9，35.5 和37℃，即隨著加速度的增大，DCCLHP穩(wěn)定運(yùn)行溫度升高，但相對于地面重力場時(shí)其運(yùn)行溫度有較大降低.相對于其他加速度，7g時(shí)液體管線出口TC12出現(xiàn)較大幅度的溫度波動(dòng)現(xiàn)象.

在加熱功率為250 W時(shí)，隨著加速度的施加和卸載，TC1和TC12出現(xiàn)了較大幅度的溫度波動(dòng)，尤其在7g時(shí)，液體管線出口處溫度一直處于波動(dòng)狀態(tài).從地面重力場環(huán)境過度到加速度環(huán)境時(shí)，蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器1、蒸氣管線溫度逐漸減小至一恒定值，儲(chǔ)液器2的溫度則上升至一恒定值，不同加速度下DCCLHP穩(wěn)定工作溫度基本相同，約39.7℃，表現(xiàn)出與150 W功率時(shí)不同的變化規(guī)律.

與布置方式A不同的是，布置方式B不同加速度大小時(shí)DCCLHP運(yùn)行均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).圖6給出了布置方式B時(shí)地面重力場和不同加速度、不同加熱功率下DCCLHP穩(wěn)態(tài)工作溫度變化圖.受環(huán)境和熱沉溫度的影響，穩(wěn)態(tài)溫度略有不同.

圖6 加速度對DCCLHP穩(wěn)態(tài)工作溫度的影響Fig.6 Steady state temperature vs heat load at elevated acceleration and gravity field for DCCLHP

由圖6可以看出，在地面重力場中，加熱功率小于250 W時(shí)，DCCLHP穩(wěn)態(tài)工作溫度隨加熱功率的增大而減小，兩個(gè)儲(chǔ)液器共同控制熱管工作溫度，DCCLHP工作在可變熱導(dǎo)區(qū).300 W時(shí)，冷凝器的冷凝面積被全部利用，DCCLHP工作在固定熱導(dǎo)區(qū)，溫度穩(wěn)定在44.4℃左右.LHP存在典型的“V”型性能曲線.

在加速度場中，加熱功率越小，其穩(wěn)態(tài)工作溫度相對于地面重力場時(shí)的差別越大，結(jié)合圖4和圖5的分析，DCCLHP達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越長.加熱功率越大，加速度對DCCLHP穩(wěn)態(tài)工作溫度的影響越小，也即是在可變熱導(dǎo)區(qū)，DCCLHP受加速度作用影響較為明顯，而在固定熱導(dǎo)區(qū)，過載加速度對DCCLHP工作性能影響較小.

2.3 兩種布置方式對比

在布置方式A和B時(shí)，DCCLHP受加速度作用后表現(xiàn)出不同的工作性能.表1和表2給出了加熱功率為200 W和300 W時(shí)DCCLHP在1g，3g，5g和7g作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作的時(shí)間t、穩(wěn)態(tài)工作溫度Teg以及與地面重力場穩(wěn)態(tài)工作溫度Te的差值，可以看出，在加速度作用時(shí)，布置方式B相對于布置方式A更有利于DCCLHP快速達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，且Teg＜Te.兩種加熱功率時(shí)加速度對Teg影響較小，不過加速度越大，布置方式B達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作的時(shí)間會(huì)越長，而布置方式A達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作的時(shí)間差別不大.

表1 加熱功率為200 W時(shí)DCCLHP工作性能Table1 Operational performance at heat power 200 W for DCCLHP

表2 加熱功率為300 W時(shí)DCCLHP工作性能Table2 Operational performance at heat power 300 W for DCCLHP

在可變熱導(dǎo)區(qū)，加速度作用對DCCLHP工作性能影響的原因可以從圖7所示的兩種布置方式下儲(chǔ)液器1和2內(nèi)氣液界面分布進(jìn)行解釋.DCCLHP由重力場過渡到加速度場，在布置方式A時(shí)，加速度ar產(chǎn)生的離心力破壞了儲(chǔ)液器內(nèi)的熱力平衡，由于液體干道、儲(chǔ)液器1和儲(chǔ)液器2的連通，液態(tài)工質(zhì)更多地聚集在儲(chǔ)液器2中，且氣液界面呈如圖7(a)所示狀態(tài)，這種氣液分布有利于減小蒸發(fā)器向儲(chǔ)液器的漏熱，同時(shí)回流過冷液體更易于流向儲(chǔ)液器2，使得TC11有較大的降低，因此蒸發(fā)器TC10溫度降低.

在布置方式B時(shí)，加速度作用使得液態(tài)工質(zhì)更易于積聚在儲(chǔ)液器1中，回流過冷液體也更易于流向儲(chǔ)液器1，而儲(chǔ)液器2因液體引管穿過，可以獲得部分過冷量，因此，兩個(gè)儲(chǔ)液器的溫度都降低.

在固定熱導(dǎo)區(qū)，儲(chǔ)液器內(nèi)幾乎完全被液態(tài)工質(zhì)占據(jù)，影響DCCLHP工作溫度的主要是冷凝器，而加速度對冷凝器冷凝換熱是有利的，一定范圍內(nèi)加速度越大，冷凝換熱效率越高，相應(yīng)的回流液體過冷量增大，這使得蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)溫度降低，工作溫度降低，不過降低幅度不大.

圖7 布置方式A和B儲(chǔ)液器內(nèi)氣液界面分布Fig.7 Vapor/liquid distributions in the compensation chamber at location A and B

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究了在重力場穩(wěn)定運(yùn)行的DCCLHP在受到過載加速度作用后的工作特性，主要得到如下結(jié)論:

1)DCCLHP在7g加速度時(shí)可以達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，相對于重力場運(yùn)行溫度，加速度作用后DCCLHP運(yùn)行溫度降低.

2)在可變熱導(dǎo)區(qū)，加速度對DCCLHP運(yùn)行溫度影響較大，相對于重力場運(yùn)行溫度，加速度越大，其運(yùn)行溫度降低幅度越小;在固定熱導(dǎo)區(qū)，加速度對DCCLHP運(yùn)行溫度影響較小，其運(yùn)行溫度略小于重力場運(yùn)行溫度.

3)布置方式對DCCLHP有較大影響，布置方式B相對于布置方式A更有利于DCCLHP運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間更短.

4)在加速度施加和卸載過程中，觀察到了DCCLHP運(yùn)行溫度的峰值現(xiàn)象，以及冷凝器出口和液體管線出口溫度大幅波動(dòng)的現(xiàn)象.

由于DCCLHP本身運(yùn)行機(jī)理較為復(fù)雜，加速度作用對DCCLHP運(yùn)行特性的影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究.

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