緊湊型平板環路熱管實驗研究

田亞玲，張海南，徐洪波，田長青

（1中國科學院空間功熱轉換技術重點實驗室，中國科學院理化技術研究所，北京100190；2中國科學院大學，北京100049）

引 言

隨著信息技術的高速發展，尤其是電子設備趨于集成化、智能化發展，電子芯片的產熱量呈指數增長。熱量高密度化，對高效傳熱設備提出了更高的需求。熱管作為數據中心高效傳熱元件之一，無需提供額外動力能通過很小的空間將大量熱量進行遠距離的傳輸，近年來眾多研究者開展了關于熱管散熱性能的綜合研究，基于熱管在傳熱方面占據了很大的優勢，廣泛應用于數據機房、電子設備冷卻、航天設備等領域[1-2]。

與重力熱管不同的是，環路熱管（loop heat pipe，LHP）是一種用液體管路和蒸氣管路把蒸發器和冷凝器連接起來的兩相傳熱裝置，蒸發器吸收熱量，通過蒸發器外殼導熱加熱毛細芯體內的液體工質使其溫度升高并吸收相變潛熱快速蒸發，氣體工質流經氣體管線至冷凝器被冷卻成液體，液體工質在氣體工質壓差的推動力與毛細芯抽吸力的合力下經過液體管線回到蒸發器內的儲液腔并被毛細芯吸收，如此循環完成傳熱過程。毛細芯平板蒸發環路熱管作為一種解決高密度散熱問題有效方案，具有傳熱系數高、能遠距離傳熱、結構靈活等特點，在數據中心散熱、航天設備冷卻等方面均顯現出明顯的優勢和發展前景[3-4]。

近年來，眾多研究者[5-8]在環路熱管方面展開了廣泛的研究，主要包括工質、放置傾角、充液率、環路結構和加熱功率等對傳熱性能及啟動性能的影響。環路熱管的傳熱性能受很多因素的影響。蒸發器作為其中的核心部件，毛細芯的特性參數直接影響到LHP的運行。目前，最為常見的吸液芯有溝槽式[9-10]、絲網式[11-12]、燒結式[13-15]、纖維式[16-18]等。

隨著電子產品小型化、高集成化的發展，具有平板蒸發器的環路熱管方便與發熱面貼合，體積更小，因此近年來平板環路熱管的研究相對盛行。針對高熱流電子設備LED燈、計算機CPU芯片等研發的微小型環路熱管，其厚度更薄，相對于傳統圓柱形環路更具有優勢，有著更大的潛力[19]。Singh等[20-21]針對服務器CPU散熱設計了蒸發器厚度小于10 mm的平板環路熱管，實驗結果表明該熱管在70 W的熱負荷時熱阻僅為0.17 W/K。Maydanik等[22]為了配合狹小空間的電子元件散熱制作了蒸發器厚度為7 mm平板式不銹鋼-丙酮環路熱管，并對各個傾角下環路熱管的運行性能進行了測試，實驗結果表明角度對該種環路熱管的運行影響不大，各個角度放置情況下工作性能幾乎相同。Zhou等[23]制造了蒸發器厚度為1 mm的超薄環路熱管用于手機散熱，實驗結果表明此種環路熱管可以在2 W的熱負荷下啟動，并且具有很低的熱阻，可以有效地對手機進行散熱。張晉晉等[24]制作了帶橫向補償平板型環路熱管，大大減薄了環路熱管蒸發器的厚度，取得了良好的散熱效果。蓋東興等[25-26]研究了加熱面積為40×30 mm2、工質為甲醇和丙酮小型平板環路熱管傳熱性能。結果表明溫度波動的熱負荷范圍受系統放置傾角、工質充液量等因素的影響，其波動出現在一部分熱負荷范圍內，在較高熱負荷下能平穩運行。相對于丙酮，以甲醇為工質時系統發生溫度波動的范圍廣且更劇烈。進一步對以甲醇為工質的平板環路熱管進行了詳細的溫度波動特性研究。在相同熱負荷及放置傾角條件下，系統在高充液率工況下的溫度波動更加劇烈；在改變傾角時，隨著傾角的增大溫度波動由振幅大、周期長變得振幅小且周期短。Kiseev等[27]和汪雙鳳等[28]研究對比了采用不同毛細芯結構的LHP的熱傳輸性能，并指出當毛細芯厚度為5～7 mm時，LHP蒸發器的性能最佳。Maydanik等[29]和Li等[30]分別對含鎳粉和銅粉毛細芯平面矩形蒸發器的微型銅-水LHP進行測試，均表現出良好的散熱性能和較低的熱阻。他們同時還指出可以通過優化蒸發器毛細結構，如調節毛細芯孔徑大小、設計蒸氣通道等方法來改善LHP中的運行不穩定性和溫度周期性振蕩。

目前研究的環路熱管結構大多采用有機材質的密封結構，加工與裝配較為復雜，蒸發器體積較大，在使用中容易發生泄漏。本文介紹了一種易加工、結構緊湊的平板環路熱管結構。同時，實驗研究了其在不同工況下的啟動特性和傳熱特性，為緊湊型平板環路熱管的研究與應用提供參考。

1 實驗系統介紹

1.1 系統介紹

緊湊型環路熱管測試系統的示意圖如圖1（a）所示。實驗裝置主要包括測試的環路熱管、加熱塊、功率控制調壓器、溫度采集系統、冷水機組。環路熱管由四個部分組成：蒸發器、蒸氣管路、冷凝器、液體管路。平板蒸發器表面布置了3個測溫點（儲液腔表面布置1個熱電偶、蒸發段加熱面布置1個熱電偶，蒸發段加熱面背面布置1個熱電偶，并且分別處于儲液腔和蒸發段中心位置），由于平板蒸發器尺寸較小，沒有在平板蒸發器布置更多測溫點。蒸氣管路、液體管路、水側進出口分別布置一個測溫點，所用熱電偶都經過校準，測溫點布置如圖1（c）所示。

圖1 緊湊型環路熱管實驗系統Fig.1 Compact loop heat pipe experimental system

研究中的環路熱管帶一個尺寸為87 mm（長）×47 mm（寬）×7 mm（高）的平板蒸發器，如圖1（b）所示，蒸發器內液體補償腔（37 mm×42 mm×7 mm）和帶9個蒸氣槽道毛細芯（33 mm×2 mm×2 mm）平行布置，平板蒸發器采用銅粉燒結型吸液芯。實驗中所使用的平板蒸發器制作步驟為：裝填銅粉-毛細芯燒結-組裝-擴散焊接。毛細芯孔隙率為50%，高溫下燒結一次成型，蒸發器外殼和帶槽道毛細芯通過擴散焊接無縫結合在一起，沒有密封膠圈等結構，具有結構緊湊、加工方便等優勢。采用SU1510掃描電子顯微鏡對毛細芯孔徑進行觀察測量，測得其孔徑約為40μm。

冷凝端采用套管冷凝器（長度250 mm），冷卻水與環路熱管制冷工質逆流布置，冷卻水由冷水機組控制恒定溫度15℃。蒸氣管線和液體管線都為內/外徑為4/5 mm銅管。基于一氟二氯乙烷(R141b)低沸點、易啟動等特性，本研究中采用R141b作為環路熱管工質。加熱使用的電加熱塊由電源通過調節電壓來恒定加熱量。在本實驗中，環境溫度控制在20～30℃范圍內，環路熱管外表面全部保溫，實驗過程中整個環路熱管水平放置。利用分子泵對系統進行抽真空，真空抽至10-3Pa以下時，打開注射泵及相應閥門，在控制軟件中輸入注射液體容積及匹配的注射速度，點擊注射后完成充注灌裝，關閉環路熱管閥門完成充注過程即可拆下進行測試。

本實驗中所使用的測量儀器的參數及測量精度如表1所示。

表1 測量儀器的具體參數Table 1 The specification of the measuring instruments

1.2 數據處理

由于加熱器與蒸發器底面通過導熱硅脂緊密接觸，并被保溫材料包裹，熱損失較小。因此，將蒸發器底壁上的加熱功率Q定義為:

式中，Q為加熱功率，W；U為穩壓電源顯示電壓，V；I為穩壓電源顯示電流,A。

熱阻是計算LHP效率的重要的熱參數之一。LHP的熱阻主要由蒸發器和冷凝器的熱阻決定，而氣液管道的熱阻在大多數情況下可以忽略不計。LHP熱阻可以用式(2)計算[31-32]:

式中，T8為蒸發器加熱面溫度，℃；T3為冷卻水進口溫度，℃；T5為冷卻水出口溫度，℃。RLHP考慮了蒸發器和冷凝器的綜合效率，反映LHP系統的傳熱性能。

加熱功率Q以及熱阻RLHP的不確定度可以表示為式（3）～式（4）：

根據表1中測量儀表的精度，可得加熱功率和熱阻的不確定度分別為±0.11%和±3.1%。

2 結果與討論

2.1 啟動與運行曲線

2.1.1 不同加熱功率下的啟動 固定充液率為50%，調節加熱功率，得到如圖2所示不同加熱功率下的平板蒸發器環路熱管啟動特性。剛開始加熱時，溫度較低，蒸發腔內無相變，主要靠對流傳熱向冷凝段散熱，溫度迅速上升；而后當溫度上升到一定值時，蒸發腔內工質開始蒸發，散熱速率提升，溫度上升趨勢逐步平緩直至穩定。

圖2 不同加熱功率下環路熱管啟動曲線Fig.2 Start-up characteristicsof heat pipe for plate evaporator loop under different heating power

當加熱功率為30 W時，加熱一段時間后環路熱管振蕩明顯，這是因為加熱功率較小時，蒸發器內為間歇沸騰，液體蒸發量較少不足以形成穩定的循環流量。隨著加熱的進行，平板蒸發器表面的溫度升高，加速蒸發腔內的液體蒸發，從而溫度下降；溫度下降后，蒸發腔內的液體蒸發減慢，散熱量下降，因此又出現溫度上升。這兩個過程周期性發生導致環路熱管呈現周期性振蕩現象。隨著加熱功率的增大，環路熱管中的振蕩逐步減弱，當加熱功率增加到70 W時，振蕩現象消失，環路熱管平穩啟動。另外，增大加熱功率可以明顯縮短平板蒸發器環路熱管的啟動時間，30 W加熱量時，300 s左右環路熱管才達到動態穩定狀態，而70 W加熱量時，200 s左右系統即達到穩定運行狀態。較大加熱功率有利于緊湊型平板蒸發器環路熱管快速平穩啟動。進一步加大加熱功率，當加熱功率高達100 W時，加熱面溫度持續升高，600 s左右上升趨勢減緩。100 W時溫度升高明顯是由于在一定輸入熱量范圍內，回路熱管循環流量會隨輸入熱量的增加而增大，從而導致熱阻有所降低。但受到蒸發與冷凝傳熱系數和面積的限制，超過一定的輸入熱量，熱管的熱阻不能進一步降低，從而導致穩定溫度升高。

2.1.2 不同充液率下的啟動 固定加熱功率為30 W，改變平板蒸發器環路熱管充液率，得到如圖3所示不同充液率條件下的啟動特性。一方面當充液率較低時（50%），熱管啟動后發生劇烈振蕩，難以達到穩定的運行狀態；隨著充液率增加，振蕩現象逐漸減弱，振蕩幅度減小；當充液率增加到80%時，30 W加熱功率下蒸發器環路熱管也能平穩啟動。充液率越高，啟動過程越平穩。

圖3 不同充液率下環路熱管啟動曲線Fig.3 Start-up characteristics of heat pipe of plateevaporator loop under different filling rate conditions

另一方面，50%充液率時，加熱300 s后環路熱管達到相對穩定狀態，60%、70%、80%充液率時系統達到相對穩定狀態的時間分別為410、500、500 s，增大充液率會顯著增加環路熱管的啟動時間。在進行環路熱管充液率確定時，需綜合考慮啟動平穩性和啟動時間。

2.1.3 變化加熱量下的運行曲線 圖4所示為變化加熱量下帶毛細芯平板蒸發器的環路熱管的運行曲線。當加熱功率較小時，環路熱管振蕩劇烈，隨著加熱功率的增大，振蕩逐漸減弱直至消失，這與啟動特性類似。當加熱功率比較低時，隨著加熱功率增大，熱通量增大，平板蒸發器中的相變傳熱過程得到強化，蒸發量增多，環路熱管中的循環流量增加，系統散熱性能得到改善。具體表現為：在一定范圍內，加熱功率越高，環路熱管中的穩定溫度越低。70%充液率時，90 W時蒸發腔表面穩定溫度較50 W的表面溫度低5.6℃。

圖4 變化加熱量下環路熱管的運行溫度曲線Fig.4 Operation temperature of the loop heat pipe under variousheating capacity

以上現象出現的原因為：當熱通量低于一定值時，蒸發腔內只有少量的氣泡，熱量主要通過對流傳熱，傳熱系數較小，導致蒸發器表面溫度較高；然后隨著加熱功率和熱通量增大，核態沸騰傳熱占主導，熱通量的增大起到強化傳熱的作用，導致蒸發器表面溫度下降，散熱效果變好；當加熱功率和熱通量增加到一定值時，大量的氣泡附著在加熱表面，繼續增大熱通量并不能起到明顯的強化傳熱的效果，相變傳熱過程傳熱系數變化不大，因此增大加熱功率導致蒸發器表面溫度明顯上升。

2.1.4 不穩定特性總結 圖5總結了幾種不同充液率在不同加熱量下的穩定情況，包括更大范圍的實驗結果。如圖所示，50%充液率時，加熱量需達到70 W溫度才相對穩定。而對于80%充液率，熱通量較小時，才會發生溫度振蕩。這種波動是由于蒸發器內部間歇沸騰、環路內流動狀態的周期性變化造成的。增大充液率和加熱功率可以抑制這種振蕩。

圖5 溫度振蕩現象的工況范圍Fig.5 The stabilization condition under different filling ratios with various heating loads

2.2 傳熱特性

選取系統啟動后平板蒸發器加熱面的穩定溫度作為衡量不同工況下環路熱管的傳熱性能（當環路熱管呈現周期性振蕩時，以振蕩過程的平均值為準），得到如圖6所示的50%、60%、70%、80%四個不同充液率下環路熱管的傳熱特性。對于被測環路熱管，當加熱功率低于80 W時，50%充液率的環路熱管平板蒸發器表面的穩定溫度最低，散熱效果最佳；當溫度高于80 W時，70%充液率的環路熱管蒸發器表面溫度最低，傳熱特性最好。圖7所示為50%、60%、70%、80%四個不同充液率下環路熱管的熱阻特性，可以看到當加熱功率較小時，低充液率工況環路熱管的傳熱熱阻最小，對應的傳熱特性最佳；當系統負荷較高時（＞80 W），70%充液率的熱管傳熱熱阻最小。

圖6 不同充液率下的加熱面溫度Fig.6 Heat transfer characteristics of the loop heat pipe under different liquid filling ratescondition

圖7 不同充液率下熱阻與熱負荷的關系Fig.7 Relationship between thermal resistance and thermal load under different liquid filling rates

環路熱管中充液率主要影響系統中工質的循環流量，隨著系統中充注的工質增加，循環流量增大，冷凝過程和蒸發過程的對流傳熱系數發生改變，但同時循環流動的流動阻力也增大，對流傳熱系數和沿程流動阻力的綜合作用導致存在一個最小的傳熱熱阻，對應的即為最優充注量。當加熱功率較低時，環路中氣液界面兩端的壓差較小，克服阻力的能力較弱，增加充液率時，流動阻力的增加占主導地位，導致低充液率時性能更好；當加熱功率較高時，氣液界面兩端壓差較大，足以克服較大的流動阻力，增大充液率時，強化傳熱的效果占主導因素，導致較高充液率時散熱效果更佳。當加熱功率較低時，環路中氣液界面兩端的壓差較小，克服阻力的能力較弱，增加充液率時，流動阻力的增加占主導地位，導致低充液率時性能更好；當加熱功率較高時，氣液界面兩端壓差較大，足以克服較大的流動阻力，增大充液率時，冷凝速度占主導因素，導致較高充液率時散熱效果更佳。

3 結 論

本文設計制作了一種緊湊型帶毛細芯平板蒸發器的環路熱管，并測試了不同充液率以及不同加熱功率條件下的啟動特性和傳熱特性，主要結論如下。

（1）當加熱功率較小時，環路熱管啟動過程振蕩嚴重，隨著加熱功率增大，振蕩逐漸減弱直至消失；充液率方面，增大充液率可以明顯改善環路熱管的啟動特性，但同時會少量延長啟動時間。較高的加熱功率和加大的充液率有助于環路熱管平穩啟動。同時，總結了被測帶毛細芯平板蒸發器環路熱管穩定運行的臨界工況范圍。

（2）存在一個與負荷相關的最優充液率使得緊湊型平板環路熱管性能最佳，這是冷凝速率和流動阻力綜合作用的結果。當負荷較低時，環路熱管的最優充液率較小，增大加熱功率可以降低熱阻；當負荷較高時，環路熱管的最優充液率較高，此時繼續增大加熱功率，蒸發器表面溫度明顯上升。