充注量對水冷式環路熱管性能影響的實驗研究

趙同樂，吳靜怡，張晉晉，蔡愛峰

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

充注量對水冷式環路熱管性能影響的實驗研究

趙同樂*，吳靜怡，張晉晉，蔡愛峰

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

工質充注量對環路熱管系統的性能有著重要的影響。本文分析了充注量對特殊構造環路熱管換熱性能以及控溫性的影響。在熱源功率分別為20 W和140 W、冷卻水溫為30 ℃的工況下，本文通過測量環路熱管（內腔容積為83 cm3）蒸發器表面溫度，對其在不同工質充注量（10 ml～80 ml）下的溫度變化進行了討論。對比實驗結果，文章得到了環路熱管的最佳工質充注量。文章最后計算出不同充注量下環路熱管的熱阻，從而驗證了實驗結果。此優化結果為環路熱管的后續研究奠定了基礎。

環路熱管；充注量；控溫性；優化結果

0 引言

隨著科學技術的發展，航天、軍事以及民用的電子設備功率不斷提高，功率的提高導致電子設備的工作溫度不斷上升，而電子設備的高溫工作環境會導致工作效率的降低，甚至影響其工作壽命。人們很早就開始關注如何提高電子設備的散熱能力，環路熱管便應運而生。環路熱管因其形式多樣、布置靈活、結構緊湊、占地空間小，適合各種空間環境。本文研究了工質的充注量對于特殊結構的環路熱管的影響，為后續的研究奠定基礎。

在過去的幾十年中，國內外許多研究者從不同方面對環路熱管進行了大量的研究。墨爾本皇家理工大學的SINGH[1]對大功率臺式機和筆記本電腦的冷卻系統進行了研究。通過對比單相冷卻系統與兩相冷卻系統的換熱性能，得出兩相冷卻系統（LHP系統）在處理臺式機及筆記本電腦微處理器等狹小空間散熱方面不失為一種高效的熱解決方案。

LI等[2]對具有正方形面蒸發器的高性能緊湊型銅水環路熱管做了實驗研究，其蒸發器結構長30 mm、寬30 mm、高15 mm，連接管內徑為5 mm。在不同的熱負荷情況下對LHP系統的啟動情況做了探究分析。此外，還開發出了描述毛細芯內部后退半月板半徑的表達式，來平衡LHP系統隨著熱負荷的增大而增大的壓降。

ROGER等[3]和LI等[4]研究了雙孔形毛細芯在平板型LHP系統中的發展應用。文章詳細分析了兩種不同方法（冷壓燒結和散粉燒結）所制造毛細芯組裝的LHP系統的性能。結果表明，毛細芯的最佳燒結溫度為700 ℃，使用冷壓燒結，造孔劑的體積分數為30%，毛細芯的孔隙率可達到77.40%。

蓋東興[5]研制了燒結鎳毛細芯構成的不銹鋼蒸發器，選擇氨作為工質，采用水冷式冷凝器；同時也研究了在充灌量分別為50%、60%和70%時的環路熱管運行特性；全面分析了LHP系統工質充灌量對平板LHP系統的影響。

VERSHININ和MAYDANIK[6]在小型回路熱管的實驗操作中觀察到運行溫度的脈動變化。變化幅度超過幾十度的強烈脈動可能源于環路熱管內部缺乏工質，冷凝器的過熱或蒸汽泡沫周期性進入補償腔并產生氣化現象等都有可能提高其溫度和體積。

YU等[7]針對制冷和空調領域的熱回收應用研發了一種銅水毛細管循環毛細泵。一系列的實驗結果表明，不同熱負荷作用于蒸發器時，毛細泵系統均表現出了良好可靠的啟動工作過程和穩態工作過程。實驗還表明，如果系統工質充注量和熱負荷量合理增加時，蒸發器的傳熱性將可以得到改善。毛細泵的最優工質充注率在70%到76%。

戴國民和杜塏[8]實驗驗證了制冷劑充注量和空調器毛細管長度對制冷系統性能的影響，根據相應的實驗結果推出了KF-25W分體空調器毛細管長度和充注量之間的最佳匹配關系，該方法對后續的實驗具有指導意義。

賈慶賢和趙夫峰[9]采用4 mm管換熱器對分體機進行充注R410A、R290性能相關的實驗。實驗最后得出4 mm管換熱器不僅可以明顯降低制冷劑充注量，也可以降低換熱器體積和成本。

王海峰等[10]設計了一種新型多功能空調熱水器裝置以及雙節流儲液器。通過切換運行模式，系統內制冷劑充注量可以自主調節，從而保證系統的穩定高效運行。采用實驗方法得出制冷劑的最佳充注量以及影響系統性能的主要因素。

本文將通過測量不同充注量下環路熱管蒸發器的壁面溫度，觀察其溫度變化趨勢；并通過不同充注量下環路熱管啟動和穩定過程的情況，分析其控溫性的特點。

1 環路熱管工作原理與實驗裝置

1.1 環路熱管的工作原理

圖1所示為環路熱管的一般結構示意圖，主要分為蒸發器、冷凝器、氣線和液線4部分，其中蒸發器包括儲液腔、毛細芯和蒸汽槽道。在環路熱管工作過程中，工質在蒸發器蒸汽槽道處受熱汽化，沿氣線進入冷凝器處冷凝換熱，冷凝后的工質沿液線回到蒸發器中的儲液腔，完成一個工作循環[11]。

環路熱管的工作過程可以用P-T圖來表示，具體如圖2[12]所示。

圖1 環路熱管的一般結構示意圖

圖2 環路熱管工作時的P-T圖

圖2中，點1代表毛細芯處的工質受熱蒸發時所對應的溫度和壓力，1-2過程為蒸汽沿槽道進入氣線的過程，該過程蒸汽溫度略有提高，壓力下降。2-3為工質沿氣線流動過程，可以近似看作等溫過程。3-4為蒸汽進入冷凝器時的冷凝過程，在點4處開始凝結，4-5為工質在冷凝器中的過冷過程，在冷凝器中壓降幾乎為0。5-6為工質沿液線的流動過程，該過程可看作一個等溫過程。6-7為儲液腔中的加熱過程，壓力保持不變，7-8為工質在毛細芯中的流動，工質受熱升溫，汽化膨脹壓力增大。

整個過程中，環路熱管各處均存在壓降，而只有當毛細芯提供的毛細壓大于總壓降時，環路熱管系統才能正常運行。即：

式中：

(ΔPcap)max——毛細芯提供的最大毛細壓，Pa；

ΔPv——蒸汽流動的壓力損耗，Pa；

ΔPl——液體工質流動的壓力損耗，Pa；

ΔPgr——由重力場引起的液體靜壓力損失，Pa。

毛細芯最大毛細壓可以由Young-Laplace方程[13]得出：

式中：

σl——液態工質的表面張力系數；

rme——多孔結構的平均有效孔隙半徑[14]，m。

1.2 環路熱管的實驗裝置

實驗設計的特殊結構環路熱管是針對大功率電子元件的散熱裝置，蒸發器結構參考芯片的位置和尺寸，設計為長118 mm、寬75 mm、高23 mm，其中蒸發腔的尺寸為55 mm×55 mm，連接管設計為外徑7 mm，內徑5 mm。實驗使用的毛細芯由鎳粉和碳酸鈉按3︰1的體積比例混合燒結而成，最后置于蒸發腔內。冷凝器由于電子元件體積的限制，故采用水冷式結構，冷凝水套長度為200 mm，外徑為20 mm，冷卻方式為逆向對流換熱。

實驗使用的環路熱管由鋁材制成；選擇鋁材是因為鋁的傳熱性能良好、質量輕，且便于攜帶和安裝。工質選擇水，因為水具有很高的汽化潛熱（2,258.4 kJ/kg）、容易獲取、成本低廉等諸多優點[15]。水作為冷卻工質的另一優勢是，當環路熱管內部高度真空時，可以明顯降低水的沸點，提高換熱能力。而且鋁和水長時間運行工作不會產生化學反應，安全可靠。具體實物如圖3所示。

圖3 實驗系統實物圖

實驗采用注射器為環路熱管充注工質。注射器可以精確地控制添加工質的量；由于環路熱管內腔總體積為83 cm3，故實驗充注量的范圍選擇為(10～80) ml。實驗裝置及溫度測點示意圖如圖4所示。

實驗過程中，穩壓器為熱源提供電壓，加熱銅塊為蒸發器壁面提供20 W或140 W的熱量。恒溫槽為冷凝器提供30 ℃的冷卻水，測溫精度為0.5 ℃的熱電偶布置在熱管8個位置點，分別位于蒸發器與熱源接觸面、蒸發器出口、冷凝器進口、冷凝器出口、蒸發器入口等位置，另一端均連接到GL800數據采集儀進行數據采集。

圖4 實驗裝置及溫度測點示意圖

2 環路熱管的實驗分析

環路熱管實驗臺搭建好以后，便可以開始在不同充注量下的實驗數據采集和分析工作。

2.1 實驗步驟

實驗步驟如下：

1） 將熱電偶布置在環路熱管的相應位置處，環路熱管用隔熱材料包好，將環路熱管和恒溫槽之間的冷凝水管連接好，開啟循環并保持水溫為30 ℃；

2） 用注射器控制加入工質的量，分別為10 ml、20 ml、30 ml、40 ml、50 ml、60 ml、70 ml和80 ml注入工質后關緊閥門，開啟功率至20 W，觀察并記錄蒸發器溫度變化情況；

3） 保持其他條件不變，開啟功率至140 W，重復實驗；

4） 處理數據，分析不同充注量下的蒸發器壁面溫度變化情況，得出結論。

2.2 實驗結果

2.2.1 不同充注量下的環路熱管蒸發器的溫度變化情況

整理數據，對熱源功率分別為20 W和140 W，冷卻水溫度30 ℃，充注量分別取10 ml、20 ml、30 ml、40 ml、50 ml、60 ml、70 ml和80 ml時環路熱管蒸發器壁面溫度變化情況進行分析。具體變化情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看出，當熱源功率為20 W時，最上面5條曲線依次為環路熱管的充注量從10 ml到50 ml的蒸發器溫度變化曲線；在低充注量（小于50 ml）的情況下，隨著充注量的增加，其蒸發器溫度升高的趨勢逐漸平緩，但其溫度區分度不大。而當充注量達到60 ml時，其溫度升高速率明顯較小，也很快達到穩定狀態。繼續增加充注量，當充注量達到70 ml以上時，隨著時間的推移，環路熱管蒸發器壁面溫度升高速率又開始明顯增大。

從圖6中可以看出，當熱源功率為140 W、充注量為10 ml時，環路熱管會出現“干燒”現象。當充注量小于50 ml時，環路熱管在穩定運行后都保持在較高的溫度水平，且各溫度曲線區分度不大。當充注量為60 ml時，環路熱管蒸發器的溫度最低，控制在70 ℃以下。當充注量大于60 ml時，環路熱管蒸發器的溫度較60 ml時有所上升。

圖5 熱源功率20 W時不同充注量對應蒸發器溫度的變化曲線

圖6 熱源功率140 W時不同充注量對應蒸發器溫度的變化曲線

當環路熱管充注量小于50 ml時，由于充注量過小導致環路熱管不能發揮全部效用；因此，各溫度曲線的區分度不大（除了熱源功率140 W時10 ml工質的情況），且蒸發器的溫度都較高，系統控溫性較差。當充注量達到60 ml時，環路熱管可以快速啟動并保持良好的控溫性。當充注量再增大時，過多的工質占據了環路熱管大部分空間，系統運行阻力變大，反而會使環路熱管的啟動過程變慢且控溫性變差。

當熱源功率分別為20 W和140 W時，將不同充注量所對應的蒸發器壁面最高溫度表示在圖7中。從圖7中可以看出，當充注量為60 ml時，其蒸發器穩定工作時的最高溫度值最小，即60 ml為環路熱管的最佳充注量。

圖7 熱源功率為20 W和140 W時蒸發器穩定時達到的最高溫度與充注量之間的關系

2.2.2 實驗結果的熱阻分析

環路熱管的溫控性能可以由蒸發器穩定時所達到的最高溫度及環路熱管的熱阻來表示。在相同的熱源功率和冷凝端冷卻條件下，蒸發器所達到的最高溫度越低，其熱阻越小，環路熱管的溫控性能越好。

這里給出環路熱管熱阻[16]的定義：

式中：

Tew——蒸發器壁面溫度，℃；

Tcond——冷凝器的平均溫度，℃；

Qe——熱源功率，W。

圖8為熱源功率分別為20 W和140 W的情況下環路熱管在不同充注量下的熱阻變化情況。從圖8可以看出，熱源功率為140 W時環路熱管的熱阻要小于20 W時的熱阻。但不管熱源功率保持在20 W還是140 W，當環路熱管的充注量為60 ml時，即充注量占整個環路熱管內腔體積（熱管內腔總體積為83 cm3）的72%左右時，熱管的熱阻最小（最小熱阻分別為1.1 ℃/W和0.28 ℃/W），此時環路熱管的控溫性能均最好。而當充注量較小時，環路熱管啟動困難，此時其熱阻較大；當充注量更大時，由于過多的工質導致環路熱管內腔可以容納蒸汽的空間變小，同樣也不利于環路熱管的換熱，故熱阻又會變大。

因此，實驗時要選用合適的充注量，過小或過大的充注量都會影響環路熱管的啟動過程，并使其控溫性變差。

圖8 熱源功率為20 W和140 W時環路熱管熱阻隨充注量的變化情況

3 結論

本文通過對環路熱管的原理以及特殊結構環路熱管系統的蒸發器壁面溫度隨充注量變化的研究，得到以下結論。

1) 對于實驗設計的特殊結構的環路熱管，當熱源功率為20 W或140 W，冷卻水溫保持在30 ℃時，工質的充注量占環路熱管內腔總體積的72%左右時其控溫性能最好。

2）充注量過小或過大均不利于特殊結構的環路熱管的高效工作。其原因為當充注量過小時，環路熱管難以正常啟動并發揮相變換熱的能力，其換熱效果有限；當充注量過大時，環路熱管內部工質所占內腔空間太多，導致汽化的蒸汽所占空間很小，系統運行阻力很大，因而也不利于環路熱管的換熱。

3）本文針對特殊結構的環路熱管在不同充注量下的控溫性進行了探討，為后續環路熱管的研究奠定了基礎。

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Experimental Research about Influence of Refrigerant Charge on Performance of Water Cooling Loop Heat Pipe

ZHAO Tongle*, WU Jingyi, ZHANG Jinjin, CAI Aifeng
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The refrigerant charge has an important impact on the performance of loop heat pipe (LHP) system. The influence of the refrigerant charge on the heat transfer property as well as temperature control property of the LHP with special structure was analyzed in this article. By measuring the temperature of the LHP’s evaporator surface when the heat source power is 20 W or 140 W and the cooling water temperature is 30oC (the volume of the LHP is 83 cm3), the temperature change under different refrigerant charge (10 ml～80 ml) conditions was discussed. It is practicable to obtain the optimal refrigerant charge by comparing the experiment results. At the end of this article, the thermal resistances of the LHP system with different refrigerant charges are calculated, which confirmed the experimental results. The optimized results lay the foundation for the further research on LHP.

Loop heat pipe (LHP); Refrigerant charge; Temperature control property; Optimized results

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.104

*趙同樂（1992-），男，碩士研究生。研究方向：環路熱管。聯系地址：上海市閔行區東川路800 號，郵編：200240。聯系電話：021-34206776。E-mail：jywu@sjtu.edu.cn。