中溫熱管工質選型與試驗研究

韓冶 柴寶華 王澤鳴 張德樓 衛光仁 馮波 龍俞伊 薛松齡

摘? ?要：為選擇適用于500～700K中溫熱管的工質，開展了中溫熱管工質選型研究。通過分析國內外研究情況與材料物性分析，得出堿金屬單質銫及銣較為適合非重力環境使用。對三根不同規格堿金屬工質中溫熱管開展啟動與升溫試驗研究，得到所研制中溫熱管的啟動溫度約500K，在500～700K溫度范圍內能夠穩定升溫并正常工作。

關鍵詞：中溫熱管? 熱管工質? 熱管啟動試驗

中圖分類號：TL133? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0101-04

Abstract： In order to study the working fluids suitable for medium temperature heat pipes of 500～700K， the research on the selection of medium temperature heat pipe working fluids was carried out. By analyzing the research situation at home and abroad and the analysis of material properties， it is concluded that alkali metal cesium and rubidium are more suitable for space environment use. Through the start-up and temperature rise test of three medium-temperature alkali metal heat pipes with different size， the starting temperature of the medium-temperature heat pipe is approximately 500K， and it can stably heat up and work normally in the temperature range of 500～700K.

Key Words： Medium temperature heat pipe; Heat pipe working fluid; Heat pipe start test

隨著空間飛行器對大功率、長壽命及高可靠性空間設備的需求，需要對空間設備的各關鍵元件開展系統的理論與試驗研究。關鍵元件之一熱管的功能是將空間設備廢熱高效地排放至空間，工作溫度范圍500～900K，目前國內只對700～900K的高溫熱管開展過系統的理論與試驗研究。針對目前很多概念設計對500～700K中溫熱管的需求，本文對中溫熱管進行了初步理論與試驗研究。對中溫熱管的工質選型開展了理論分析，對所選工質熱管進行了啟動與升溫試驗。

1? 中溫熱管工質選型

1.1 熱管工質選型的要求

熱管工質的選擇應該從以下幾方面綜合考慮[1-3]：

（1）工質在指定溫度區間內使熱管能夠啟動并穩定工作;

（2）工質與管殼、管芯材料相容，即不相互腐蝕與污染;

（3）工質具有熱穩定性，即在工作溫度區間內不產生化學分解、不產生不凝結氣體;

（4）工質具有良好的物理性質，即在工作溫度區間內工質飽和蒸汽壓低、汽化潛熱大、密度小、表面張力大并與芯體浸潤性良好等;

（5）工質具有安全性、非毒性及經濟性等。

1.2 中溫熱管備選工質與國內外研究分析

工作溫度在500～700K的中溫熱管，其工質的選擇一直是熱管研究領域難點[3-5]。表1是幾種備選工質相關物性。

下面對表1中的備選工質進行選型分析：

（1）萘、導熱姆A：Groll[6]等人試驗了萘-低合金鋼熱管進行了試驗，工作于543K溫度下700d未發下性能退化，但當操作溫度高于623K，萘將有較快的分解速度;楊峻[7]等人對萘熱管進行了多項試驗，結論是萘熱管的工作溫度是523～673K，但長期工作會產生不凝性氣體;楊峻等人[7]認為導熱姆A熱管的工作溫度范圍在423～673K，超過673K時導熱姆A迅速分解、結焦，綜合性能較萘差。王同章[8]認為導熱姆A的工作溫度上限不能高于623K。上述研究事實表明導熱姆A和萘不適合用做空間環境熱管工質，存在以下應用風險：①導熱姆A和萘工質為有機化合物，即使在試驗室500～700K溫度范圍內能夠正常工作，工質也會緩慢分解，并非絕對不分解[3]，而空間設備壽期在7年以上，長時間運行上述工質必然會分解產生足以影響熱管性能的不凝性氣量;②工質在高溫下飽和蒸汽壓迅速升高，需要增加管殼壁厚來提高管殼材料的承壓能力，這樣會造成熱管質量增加。

（2）汞：在523～873K范圍內，汞是傳輸性能較好的工質，但汞熱管不適合應用[3，7-8]，原因如下：①汞是劇毒物質，熱管制造中人員會接觸到汞蒸汽，汞通過呼吸或接觸進入人體后會在體內沉積無法排出，對臟器與神經組織產生毒害;②汞密度極大，以其作為工質會將使熱管重量增加100%以上;③汞與中溫熱管吸液芯材料不浸潤，毛細力失效。

（3）銫、銣：堿金屬單質銫和銣具有飽和蒸汽壓低、汽化潛熱高、密度低、熔點低及浸潤性好的優點，并且與不銹鋼和鈦等管殼材料相容性好。Jean-Michel Tournier[9]等人研究得到銫和銣蒸汽進入連續流動態的溫度銫是610K、銣是640K，但工質進入連續流動態的溫度是隨熱管內蒸汽腔直徑變大而減小的，如圖1所示在熱管蒸汽腔直徑為2cm情況下，銣降為510K左右。因此通過增大熱管蒸汽腔直徑可以降低此類工質熱管熱管的啟動溫度，使其工作于500～700K溫度區間。

綜合以上分析，建議采用堿金屬單質銫或銣作為空間非重力環境中溫熱管的工質。

2? 中溫熱管啟動與升溫試驗

為研究并驗證以銣作為工質的中溫熱管在500～700K的實際啟動與升溫性能，開展了不同尺寸銣工質中溫熱管的啟動與升溫試驗。

2.1 試驗對象

試驗對象為3根熱管，工質為銣，基本參數如表2所示。

2.2 試驗裝置

圖2是熱管試驗裝置示意圖。加熱爐最大功率1kW，中心加熱段長度100mm。K型鎧裝熱電偶測量溫度。

2.3 試驗結果

1#～3#熱管測試試驗結果如圖3～5所示。圖中長度值為溫度測點到蒸發段起始點的距離。表3是不同規格熱管達到啟動溫度時的溫度數據。

2.4 試驗結果分析

（1）1#熱管試驗結果分析。

從圖3與表3數據可以分析得到：啟動溫度約510K，該時刻冷凝段各點溫度趨于一致，此后熱管各點溫度整體平穩上升;在500～700K升溫區間內熱管各點溫度平穩上升，熱管能夠在此溫度下正常工作;在啟動溫度至700K溫度范圍內，蒸發段測溫點溫度比其他測溫點溫度高100～150K，這是由于蒸發段熱電偶受加熱爐熱輻射影響導致所測溫度比蒸發段壁面實際溫度高，這是啟動試驗不可避免的。絕熱段測溫點溫度也會受到影響，因此蒸發段和絕熱段外壁面所測溫度可作為觀察結果，不作為熱管啟動溫度測量值。

（2）2#熱管試驗結果分析。

從圖4與表3數據可以分析得到：啟動溫度約505K，該時刻冷凝段各點溫度趨于一致，此后熱管各點溫度整體平穩上升;蒸汽腔直徑24mm熱管啟動溫度比17mm熱管低約5K;在500～700K升溫區間內熱管各點溫度平穩上升，熱管能夠在此溫度下正常工作。

（3）3#熱管試驗結果分析。

從圖5與表3數據可以分析得到：啟動溫度約500K，該時刻冷凝段各點溫度趨于一致，此后熱管各點溫度整體平穩上升;蒸汽腔直徑27mm熱管啟動溫度比17mm熱管低約10K;在500～700K升溫區間內熱管各點溫度平穩上升，熱管能夠在此溫度下正常工作。

3? 結語

本文對應用于空間環境中溫熱管的工質進行了選型研究，并對銣工質中溫熱管進行了啟動與升溫試驗研究，得到如下結論：

（1）適合在空間環境500～700K應用的中溫熱管工質是銫和銣;

（2）所研制銣工質中溫熱管能夠在500K附近啟動，能夠在500～700K區間內正常工作;

（3）所研制中溫熱管啟動溫度隨熱管蒸汽腔直徑增大而降低。

參考文獻

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[9] Jean-Michel Tournier， Mohamed EI-Genk. Radiator Heat Pipes with Carbon-Carbon Fins and Armor for Space Nuclear Reactor Power Systems[C]. USA：AIP Conference Proceedings，2005：935-945.