3D打印鈦合金毛細芯有效導熱系數的實驗研究

孫琦，陳曦*，謝榮建

(1-上海理工大學，上海200093；2-中國科學院上海技術物理研究所，上海200083)

3D打印鈦合金毛細芯有效導熱系數的實驗研究

孫琦1，陳曦*1，謝榮建2

(1-上海理工大學，上海200093；2-中國科學院上海技術物理研究所，上海200083)

為模擬環路熱管（LHP）中毛細芯真實運行的情況，本文設計了一臺實驗裝置，在室溫下測定毛細芯工作時的表面溫度，對環路熱管蒸發段毛細芯的有效導熱系數進行了詳細的實驗測試。本文以3D打印的鈦合金毛細芯為研究對象，分別采用乙醇和水為工質，研究了工質進口溫度、工作壓力、浸沒深度等參數對毛細芯有效導熱系數的影響，并對研究毛細芯有效導熱系數對環路熱管傳熱性能的影響提供了有價值的實驗數據。

有效導熱系數；毛細芯；環路熱管

0 引言

環路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是一種高效的傳熱裝置。它利用蒸發器內的毛細芯產生的毛細力驅動回路運行，工質在毛細芯外側相變產生蒸汽,沿氣體管路進入冷凝器冷凝為液體，再沿液體管路流入毛細芯的液體干道完成循環。LHP結構緊湊、傳熱效率高、可控制、體積小[1-2]，被廣泛應用于航空航天和電子散熱領域[3]。而毛細芯作為環路熱管的關鍵部件，其特性參數將直接決定環路熱管內的傳質與傳熱特性[4]。其中，毛細芯的有效導熱系數是表征其傳熱能力最重要的參數，等效熱導率低的毛細結構有利于減小從蒸發器到補償器的熱泄漏，減小環路熱管的最低啟動功率[5]，但同樣也意味著使液體汽化的傳熱能力減弱了[6-7]，二者相互制約，因此研究其影響因素對于優化LHP系統的性能具有非常重要的意義。

PETERSON 等[8]在 25 ℃～100 ℃的溫度范圍對燒結的鎳芯和銅芯的有效導熱系數進行了測試。結果發現，無論毛細芯是在干燥或完全潤濕的條件下，毛細芯的有效導熱系數都是其燒結金屬的導熱率、孔隙率和平均溫度的函數。MO等[9]通過熱常數分析儀測量了填充有水、乙二醇和甘油的多孔燒結鎳材料的有效熱導率。研究發現，多孔介質的熱導率取決于流體的熱導率、填充比率和材料的孔隙率。崔可航等[10]采用瞬態平面熱源法，研究了毛細芯的導熱系數，實驗測得燒結的干鎳芯導熱系數為11.4 W/(m·K)，濕芯導熱系數為13.9 W/(m·K)。結果還表明，隨著孔隙率的增大，導熱系數呈現出單調下降的趨勢。IVERSON等[11]同樣建立了實驗臺對毛細芯的熱導率進行測量。他們發現低功率下，毛細芯濕芯的熱導率隨輸入功率的增加而增加，在大約40 W的功率水平下，熱導率開始逐漸減小。XIN等[12]制造了一系列具有不同比例銅粉和鎳粉的毛細芯，通過建立相關的測試平臺測量了其有效的熱導率。實驗發現，組成60%鎳和40%銅的毛細芯的熱導率在測試范圍內是最低的。

本文建立了有效導熱系數測試平臺，選取3D打印的鈦合金毛細芯為研究對象（尺寸為φ20 mm×80 mm，孔隙率為 0.6），研究了工質的進口溫度、工作壓力及浸沒深度等參數對開式環路熱管中毛細芯有效導熱系數的影響。研究成果為將來研制高效的毛細芯提供了基礎實驗依據，并為研究有效導熱系數對環路熱管傳熱性能的影響奠定了基礎[13]。

1 實驗測試原理

本文采用穩態法進行毛細芯表面溫度的測量。假設毛細芯在宏觀上均勻且各向同性，為測得毛細芯工作狀態下的熱物性，在其表面等間距取若干溫度測點，在加熱條件穩態工況下毛細芯有效導熱系數為：

式中：

qin——輸入到毛細芯真實的加熱功率，W；

U——穩壓電源輸入的電壓值，V；

I——穩壓電源輸入的電流值，A。

式中：

Ax——毛細芯橫截面積（3.14×10-4m2），m2；

leff——毛細芯的有效高度（取75 mm），mm；

T1——測點1溫度，℃；

T7——測點7溫度，℃。

式中：

q——輸入功率，W；

qin,loss——熱損失，W；

qcond——由于導熱引起的加熱損失，W；

qconv——由于自然對流引起的加熱損失，W；

qrad——由于輻射而引起的加熱損失，W。

本裝置的毛細芯采用懸掛法固定在容器上方，最大程度上減少由于接觸而引起的導熱損失，可忽略不計。由于自然對流和輻射換熱引起的加熱損失根據Churchill-Chu自然對流關系式（RaL≤109）[14]和兩同心圓柱表面間的輻射傳熱公式進行校正，用于計算RaL的驅動溫差是基于毛細芯的7個測點的平均溫度Tm和恒定的腔體溫度，而L是加熱片和液池之間的芯的暴露長度。計算中使用的氣體物性采用腔體壓力進行評估。則有：

式中：

Ts——毛細芯下端表面的平均溫度，℃；

Ta——腔體內的溫度，℃；

ε1——毛細芯的發射率（取0.3）；

A1——毛細芯的表面積（5×10-3m2），m2；

ε2——測試容器壁面的發射率（取0.3）；

A2——測試容器壁面的表面積（0.12 m2），m2。

當輸入功率為7 W時，計算得到的對流損失為0.22 W,輻射損失為0.16 W,總的熱損失占整個輸入功率的5.43%。

2 實驗系統介紹

為模擬環路熱管中毛細芯的真實運行情況，本文設計的測試容器如圖1所示。毛細芯頂部通過懸掛法豎直固定在容器上部，底部浸沒在工質中，浸沒深度用H表示。面積與毛細芯頂部一樣大小的陶瓷加熱片貼在毛細芯上端表面，7個鉑電阻（pt1000）以 30°和等距10 mm的方式沿軸向環繞貼在毛細芯表面測溫（圖2），并通過連接數據采集儀和電腦每隔 10 s自動記錄一次溫度的變化。容器內置冷卻銅管和翅片管，里面流通冷卻水，控制工質維持在恒定溫度。實驗時，毛細芯會克服重力作用抽吸工質[15]，施加一定的加熱功率后，當工質的溫度達到蒸發溫度時，工質就會在毛細芯表面蒸發，產生的蒸汽遇到翅片管會凝結成水珠回落到裝置底部，保證液面高度恒定，完成循環[11]。

圖1 實驗測試容器剖面圖

圖2 毛細芯測點分布圖

在連接測試容器時，安裝了兩個閥門。閥門1接真空泵將容器內部抽成真空，閥門2連接滴定管用于充裝工質，如圖3所示。充裝工質時，先把閥門1打開，再開啟真空泵，當真空泵的屏幕顯示到10-3Pa時則達到實驗要求，此時將閥門1關閉。向滴定管內倒入工質，打開閥門 2，充裝好后關閉閥門2，即可開始實驗。

圖3 測試容器閥門連接圖

3 實驗結果與討論

導熱系數的測量誤差主要有溫度測量誤差和熱流測量誤差。熱流測量誤差已通過計算對流，輻射損失進行校正，實驗所使用的鉑電阻測溫的相對誤差為0.1%。

3.1 工質進口溫度對毛細芯有效導熱系數的影響

按上述步驟將容器內部抽成真空，充入工質水或乙醇，此時壓力表顯示容器內仍是負壓狀態（P=14 kPa）。再通過調節水冷溫度至5 ℃、15 ℃、25 ℃來控制毛細芯吸入工質的進口溫度Tf，分別采用乙醇和水作為工質，在不同的加熱功率下測量毛細芯的表面溫度，計算其有效導熱系數，結果如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，毛細芯的有效導熱系數值是隨著加熱功率的增加先增大后減小，這是由于隨著加熱功率的不斷增大，毛細芯表面的溫度也會隨之上升，達到此壓力下工質的沸點，但工質不會馬上被蒸干，一段時間后，工質減少，輸入毛細芯的加熱功率不再用來蒸發，大部分熱量用來使毛細芯的表面溫度升高，因此，此時毛細芯的表面溫度上升迅速，但有效導熱系數值卻隨之減小。當處于低加熱功率下時，工質進口溫度6 ℃和16 ℃左右對應的毛細芯的有效導熱系數值相近，而25 ℃左右時有明顯增長，因為此時水和乙醇的浸潤性增加。但在高加熱功率下，無論工質的進口溫度為多少，毛細芯的有效導熱系數值最后都穩定在5 W/(m·K)左右。該導熱系數值仍比毛細芯干芯的導熱系數值大，因為工質仍會不斷被抽吸，毛細芯內不會完全沒有工質。

圖4 不同進口溫度下含乙醇毛細芯的導熱系數

圖5 不同進口溫度下含水毛細芯的導熱系數

3.2 工作壓力對毛細芯有效導熱系數的影響

為了研究工作壓力對毛細芯的有效導熱系數的影響規律，分別在真空環境下和常壓環境下采用乙醇和水兩種工質對不同加熱功率下的毛細芯的表面溫度進行了測量并計算了有效導熱系數，結果如圖6和圖7所示。

由乙醇和水的物性可知，在絕對壓力P=14 kPa下，乙醇的沸點為35.14 ℃，水的沸點為52.56 ℃。從圖6和圖7以看出，含乙醇和含水的毛細芯的有效導熱系數都是隨著溫度的上升先增加，分別在30 ℃和50 ℃左右時，基本達到了此壓力下乙醇與水的沸點，此時的有效導熱系數值最大，之后隨著溫度的不斷上升，毛細芯被逐漸蒸干，變成純導熱，因此有效導熱系數值又逐漸減小。在P=101 kPa下，乙醇的沸點為78 ℃，水的沸點為100 ℃。從圖6可以看出在60 ℃左右，毛細芯的有效導熱系數值才逐漸減小。圖7毛細芯的平均溫度未超過100 ℃，在此次的實驗條件下，未達到水的沸點，因此導熱系數一直保持上升的趨勢。在低溫低壓下，含乙醇和含水毛細芯的有效導熱系數大于常壓下的導熱系數，而在高溫下結果正相反。

圖6 不同工作壓力下含乙醇毛細芯的導熱系數

圖7 不同工作壓力下含水毛細芯的導熱系數

3.3 浸沒深度對毛細芯有效導熱系數的影響

為了研究浸沒深度對毛細芯有效導熱系數的影響，通過改變工質的充裝質量來控制毛細芯浸沒工質的深度，采用乙醇為工質測量了在不同加熱功率下浸沒5 mm和25 mm兩種情況下毛細芯的表面溫度，并計算了毛細芯的有效導熱系數，結果如圖8和圖9所示。

從圖8可以看出，當毛細芯浸沒深度為25 mm時，測點5～7全部浸沒在工質中，因此隨著加熱功率的增加，這3點溫度的變化非常??；而其他幾個測點隨著加熱功率的增加，溫度上升明顯。當加熱功率增大到一定程度時，測點2和測點3周圍的工質被蒸干，溫度增加的速度變快。

從圖9兩條曲線中可以看出，無論浸沒深度多少，隨著加熱功率的增加，毛細芯的平均有效導熱系數都呈先增大再減小的趨勢，最后趨向于同一值。在低加熱功率下，浸潤深度為25 mm的有效導熱系數遠大于浸潤深度為5 mm的，這是由于浸沒深度的增加使毛細芯溫度分布得更均勻，毛細芯表面的平均溫度減小，因此需要達到毛細芯沸點溫度的加熱功率增加。

圖8 浸沒深度為25 mm時毛細芯的測點溫度分布（乙醇）

圖9 不同浸沒深度下毛細芯的有效導熱系數（乙醇）

4 結論

本文以鈦合金毛細芯為研究對象，利用穩態法計算了毛細芯工作狀態下的有效導熱系數，分析了工質進口溫度、工作壓力、浸沒深度等參數對開式環路熱管毛細芯有效導熱系數的影響，為其性能的提高提供了實驗依據。主要結論如下：

1） 隨著加熱功率的增加，毛細芯的有效導熱系數值都呈現先增大再減小的趨勢，最后趨向于自身的熱導率，這個規律在IVERSON的實驗中也已經得到了證明；

2） 在低壓條件下，含乙醇毛細芯的最大有效導熱系數為14.95 W/(m·K)，含水毛細芯的最大有效導熱系數為10.79 W/(m·K)；

3） 處于低加熱功率下，工質的進口溫度高會影響工質對毛細芯的浸潤性，對應的有效導熱系數值增大，但在高加熱功率下影響不大；

4） 工作壓力大小會影響工質的沸點進而影響毛細芯有效導熱系數最大值的出現位置；

5） 浸沒深度的增加使毛細芯的平均溫度更加均勻，毛細芯表面的平均溫度減小，需要達到毛細芯沸點溫度的加熱功率增加。

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Experimental Study on Effective Thermal Conductivity of 3D-printed Titanium Alloy Capillary Wick

SUN QI1, CHEN XI*1, XIE Rong-jian2
(1-University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2- Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)

In order to simulate the real operation of the capillary wick in loop heat pipe (LHP), an experimental device was designed to determine the surface temperature during the operation of the capillary wick at room temperature, and the effective thermal conductivity of the capillary wick in the evaporative section of LHP was studied in detail.Theinfluenceof parameterssuch astheinlet temperature,theworking pressure and the immersion height on the effective thermal conductivity was analyzed by using 3D-printed titanium alloy capillary wick and by taking ethanol and water as the working fluid respectively, which provides valuable experimental data for studying the effect of effective thermal conductivity on the heat transfer performance of LHP.

Effective thermal conductivity; Capillary wicks; Loop heat pipe

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.102

*陳曦（1977-），男，博士，副教授。研究方向：低溫制冷機、強化傳熱技術、新型制冷技術及壓縮機。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號能動學院，郵編：200093。聯系電話：13816426670。E-mail: Chenxistudy@163.com。