圓盤式環路熱管的啟動特性及溫度波動

徐茂淯，陶帥，齊聰，梁林

（中國礦業大學低碳能源與動力工程學院，江蘇 徐州 221116）

隨著科技的發展，各類電子產品不斷涌現并滲透于人們生活的方方面面。為了提升產品使用的體驗感，大型的電子產品由于其攜帶不便，逐漸被市場拋棄。電子產品的發展與生產越來越貼近小型化與集成化。環路熱管是傳統熱管的一種改進形式，作為傳統熱管的延伸，能夠更加高效地利用工質相變進行熱傳輸。相比于傳統熱管，環路熱管具有傳熱能力強，傳熱效率高，傳輸距離長，布置靈活，受黏性極限、夾帶極限等因素影響較小等優勢[1-3]。環路熱管短時間內的高效換熱對于實現電力電子、航空航天、電動汽車等領域熱控制與管理具有十分重要的現實意義[4]。

環路熱管的快速啟動和精準溫控是評價其性能優劣的兩個重要因素，因而環路熱管的啟動及溫度波動問題已成為研究的熱點[5]。鄭銘鑄等[6]研究表明不同相變空間高度的情況下，蒸發器啟動時間存在明顯差異。張紅星等[7]則聚焦熱沉溫度、氣液分布等因素對啟動的影響。黃潔等[8]認為過熱度、蒸發器結構是影響啟動的最關鍵因素。向佳佳等[9]研究了充液比對啟動性能的影響，當充液比為50%和60%時啟動較迅速，而充液比大于70%時啟動困難。張先鋒[10]研究了冷凝器位置和擺放方式對啟動過程的影響，環路熱管能在低功率時各種放置狀態下順利啟動，冷凝器距離蒸發器蒸汽出口越近，啟動性能越好。Huang 等[11]將啟動分為啟動失敗、波動啟動、溫度過沖啟動和正常啟動，并對這幾種模式進行了界定。對于溫度波動問題，Maydanik 等[12]最早在實驗中發現了溫度波動現象。Ku 等[13]認為溫度波動與氣液界面的位置有關，當氣液界面只存在于冷凝器中時，溫度波動就不會發生。張紅星等[14]發現冷凝器出入口均會發生溫度波動現象。胡卓煥等[15]研究充液率對溫度波動的影響，得到52%充液率綜合性能最優，溫度波動幅度較小。Wang 等[16]研究了不銹鋼-水環路熱管在不同熱負荷和傾角下的傳熱特性，實驗表明熱負荷為20W 時系統存在明顯的溫度波動現象，且熱負荷越小，溫度波動現象越明顯。李雪強等[17]對突出氣相壓頭的環路熱管進行了實驗研究，研究表明熱管存在平穩啟動、過沖啟動和滴落蒸發啟動三種啟動形式，增大加熱功率可以有效地減小溫度波動。

綜上可知，雖然已有許多研究者對環路熱管的啟動和溫度波動進行了研究，但由于影響環路熱管啟動和溫度波動的因素比較復雜，有必要對其進行廣泛的研究。為此，本文采用燒結方法制備了毛細芯體，實驗研究了系統在不同熱負荷下的啟動特性，分析了不同熱負荷和充灌率對溫度波動的影響規律，同時也對系統變負荷運行及其熱阻變化進行了分析；研究結果有望為環路熱管的設計和優化提供參考。

1 實驗系統與毛細芯制備

1.1 實驗系統

環路熱管實驗系統示意圖如圖1所示，主要由環路熱管系統、抽真空充灌系統、溫度控制系統、數據采集系統以及中間的連接管路組成。蒸發器采用可拆卸式設計，結構如圖2 所示，由底座、蓋板、毛細芯和蒸汽槽等組成。加熱底座和蓋板之間采用螺栓連接，為了保證環路熱管系統的密封性，在加熱底座上開有高度為1mm 的環形槽道，槽道內放入O形橡膠圈。管件與蒸發器出口、補償腔入口等連接處采用焊接時熱變形較小的氬弧焊相連。蒸發器整體外形為圓形，內部含有毛細芯，蒸發器底板內部留有蒸汽槽道，蒸發腔接收熱量后迅速產生蒸汽，蒸汽通過蒸汽槽道從蒸發器出口流出。冷凝器采用套管式換熱，順流式換熱。蒸汽管路與液體管路均采用內徑為3mm、外徑為4mm 的不銹鋼管。本文采用的陶瓷加熱片作為模擬熱源，其直徑為30mm、厚度為1.3mm。通過穩壓電源對系統進行加熱功率的調節。蒸發器底座設有直徑30mm、深1mm 的圓柱形凹槽，加熱片與凹槽間涂有導熱硅脂，能盡量降低接觸熱阻。

圖1 環路熱管實驗系統示意圖

圖2 蒸發器示意圖

根據整個環路熱管系統的溫度范圍，選用T型銅-康銅熱電偶，熱電偶測量端布置如圖3 所示。使用安捷倫Keysight 34970A 數據采集儀連接計算機對數據進行采集與處理。為了防止實驗裝置在工作過程中向周圍環境散熱，從而對實驗結果造成影響和誤差，采用海綿包裹的方法對環路熱管的實驗裝置進行保溫。

圖3 測溫點示意圖

1.2 毛細芯的制備與表征

本文采用冷壓燒結的方法制作毛細芯并實現蒸發底座與毛細芯一體化燒結，減小接觸熱阻。基體燒結材料選用高純度Incotype255 型鏈珠狀碳基鎳粉，顆粒直徑在2μm 左右。采用200～300 目（75～50μm）分析純氯化鈉作為造孔劑以便獲得較好的孔隙效果。經過篩分、混合顆粒、冷壓填裝模具、燒結等一系列的過程獲得本文所用的芯材本體。如圖4 所示為毛細芯的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，燒結后毛細芯的主要參數如表1所示。

表1 燒結雙孔徑毛細芯參數

圖4 毛細芯的SEM圖

2 數據處理

環路熱管加熱功率計算見式(1)。

式中，Uin是指直流電源輸出電壓，V；Iin為直流電源的輸出電流，A。

熱阻是環路熱管的性能指標之一，反映了蒸發器吸收熱量后環路熱管散發到冷源的阻力，如式(2)所示。

實驗中直流電源電壓誤差為±0.1%，直流電源電流誤差為±0.1%，低溫恒溫箱流量誤差為±1.5%，冷卻水溫度誤差為±0.5℃，熱電偶測量誤差為±0.5℃。由此可以計算出環路熱阻與功率的傳遞誤差分別為0.35%、3%。實驗誤差較小，數據可靠。

3 結果與討論

3.1 啟動

如圖5所示為在充灌率60%、熱沉溫度5℃下，環路熱管在5～25W 加熱負荷下的啟動圖。由圖可知，隨著熱負荷的施加，蒸發底座和補償室溫度逐漸升高，二者之間始終保持一定的溫差用來形成推動環路熱管運行的壓差。可以觀察到分別在17min、13min、5min、3min、2.5min 左右蒸發器出口開始產生蒸汽，經歷了一段時間后，蒸汽進入冷凝器入口，可以發現冷凝器出口的溫度與冷源溫度相差不大，這是因為冷凝器能將所有的蒸發器完全冷凝至過冷狀態。由圖5可知，鎳材毛細芯環路熱管系統可在不同的熱負荷下成功啟動。觀察圖5(a)～(e)冷凝入口及蒸汽管路與蒸發器出口的溫度差值可知：在低負荷啟動條件下，環路熱管產生蒸汽較少，蒸汽存在一個在槽道聚集的過程。環路熱管的蒸發效率遠遠小于冷凝效率。原本存在于冷凝器中的氣液界面前移至蒸汽管路。換句話說，蒸汽管路充當了一部分冷凝器的作用。當加熱功率在20W 左右時，冷凝入口及蒸汽管路與蒸發器出口的溫度差值基本為零，此時可以推斷蒸發效率與冷凝效率相等。

圖5 燒結鎳毛細芯環路熱管啟動特性圖

3.2 溫度波動

圖6 所示為環路熱管在不同加熱功率下的溫度波動情況。由圖6 可知，環路熱管系統在5W 和10W 啟動功率下均有不同程度的溫度波動，但隨著加熱功率的逐漸升高，溫度波動會越來越小。系統各個測點的溫度波動是同時進行的，但是在每個溫度測點上，溫度的波動程度是不同的（波動程度是指在溫度波動波峰與波谷之間的差值）。補償器入口的溫度波動最大，蒸汽管路、蒸發器出口、蓋板等位置的溫度波動次之，冷凝出入口波動最小。這是因為當施加很小的熱負荷時，蒸發腔內產生了少量的蒸汽，蒸發效率遠遠小于冷凝效率，冷凝器只需一小段便可以完成對蒸汽的過冷，冷凝段便向蒸汽管路延伸，導致環路熱管蒸發管路與冷凝段內充滿液體，補償腔內剩余少量液體。低功率下產生的蒸汽會有一個在蒸汽槽道內聚集的過程，而此時蒸汽穿透毛細芯進入補償腔中，補償腔中被不斷加熱，補償室內存在的少量液體被加熱成氣泡，此時補償器內氣泡含量居多。隨著加熱負荷的上升，通過毛細芯的抽吸，過冷回流液體被泵吸到補償器內，回流液體將產生的氣泡湮滅。與此同時，增加熱負荷會加大底座與蓋板之間的熱傳導，從而有利于氣泡的再次產生。隨著熱負荷的增加，補償腔內的氣泡越來越少。當熱負荷到達一定大小后，補償腔完全被液體占據，氣泡消失，溫度波動消失，這也是補償器入口溫度波動最大的原因。根據溫度波動的大小和頻率情況可將溫度波動分為以下兩類：①大波動（溫度波動在10℃以上，周期在10min以上）[圖6(a)]；②微小波動（溫度波動較小，溫度波動頻率快）[圖6(b)]。

圖6 環路熱管不同加熱功率溫度波動

圖7 及圖6(b)所示為不同充灌率對溫度波動的影響。由圖7可知，在50%和60%充灌率下，環路熱管正常平穩啟動，而70%充灌率下，系統在啟動時產生了劇烈的波動。分析其原因為：在相同的啟動功率和熱沉溫度下，在系統內部液體體積較少時，充灌率對補償腔內的氣液分布影響不大。換句話說，小的充灌率下補償室的熱容相差不大，因此溫度波動不明顯。隨著充灌液體增加，系統內部需要更高的蒸汽壓力來克服增加的阻力和流體慣性，蒸汽壓力升高帶來了蒸發腔溫度的上升，環路熱管的軸向導熱和背向漏熱效應會更加明顯，補償室接收了更多的熱量，補償室內的熱容差異增大，所以在相同的啟動功率和熱沉溫度下，大充灌率會導致顯著的溫度波動。

圖7 不同充灌率環路熱管溫度波動圖

3.3 變負荷運行

圖8為環路熱管變負荷溫度特性曲線。在負荷發生改變的過程中，環路熱管系統能夠較快地適應外來熱負荷的變化并獲得新的熱平衡，繼續穩定運行。25W 功率下環路熱管穩定啟動，隨著熱負荷的降低，環路熱管的整體運行溫度會降低。但是由圖8可知，在不同的功率區間內，降低熱負荷獲得的溫降卻不同。相比于其他升功率階段，在10～5W 降功率過程中，溫度降低較大且一段時間后，因為環路熱管蒸汽量不足，環路熱管各部分溫度有發生震蕩的趨勢。

圖8 環路熱管變負荷溫度特性

3.4 熱阻

圖9為充灌率為50%、60%和70%時系統熱阻隨功率變化的關系。由圖可知，加熱功率愈大系統熱阻愈小；低負荷下充灌率對熱阻的影響比高負荷下大。這是由于低負荷下系統吸收的熱量小，系統熱損失對系統傳熱具有較大的影響。蒸發器到冷凝器傳遞的熱量減小勢必造成系統熱阻增大。類似地，低負荷下較低的充灌率使得傳遞熱量的工質減小，進一步增大了系統的熱阻。高負荷下則與之相反。圖10 為加熱功率為15W 時熱阻與充灌率的關系。由圖10 可知，隨著充灌率的增大系統熱阻先增大再減小，當充灌率為60%時系統的熱阻最小。這是因為較低的充灌率使得系統中氣相所占空間增大，較高的過熱才能驅動蒸汽循環，并且充灌率較低，系統傳遞的熱量也會降低，由此造成熱阻較大。而較大的充灌率則會使得系統氣相空間較小，汽化量降低，進而增大了系統熱阻。

圖9 環路熱管熱阻隨功率變化圖

圖10 環路熱管熱阻隨充灌率變化圖

4 結論

本文通過冷壓燒結法制備了鎳材毛細芯，研究了環路熱管系統的啟動和溫度波動特性，分析了系統變負荷運行及其熱阻變化，主要結論如下。

（1）熱管在5～25W加熱功率下均可成功啟動，隨著熱負荷的增大，啟動時間相應縮短；低負荷下，熱管的蒸發效率遠遠小于冷凝效率，加熱功率在20W左右時蒸發效率與冷凝效率相等。

（2）熱管在5W和10W加熱功率下啟動均存在溫度波動。隨著功率的增大，溫度波動會慢慢變小直至消失，在相同的啟動功率和熱沉溫度下，大充灌率會導致顯著的溫度波動。

（3）熱阻隨著熱負荷的增加而減小，當熱負荷較小時，熱阻受熱負荷影響較大，反之受熱負荷影響較小；在低功率的條件下，充灌率對系統熱阻的影響較大；高功率下影響較小；實驗條件下，充灌率為60%時系統的熱阻最小。