楊臥龍 紀(jì)獻(xiàn)兵 徐進(jìn)良

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多相流動(dòng)與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206）

小型平板式環(huán)路熱管的反重力運(yùn)行特性

楊臥龍 紀(jì)獻(xiàn)兵 徐進(jìn)良

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室多相流動(dòng)與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206）

為滿足電子設(shè)備高效冷卻的需要，本文從提高毛細(xì)壓力、降低流動(dòng)阻力、強(qiáng)化蒸發(fā)器壁面?zhèn)鳠崮芰σ约敖档蜔嵝孤┓矫嫒胧?，設(shè)計(jì)了一種具有新型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的平板環(huán)路熱管。利用集成蒸氣通道的一體式雙孔毛細(xì)芯替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工微槽道，并在反重力條件下對(duì)其傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該環(huán)路熱管具有良好的反重力運(yùn)行性能，能夠在20 W熱負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)快速、低溫啟動(dòng)，且無(wú)溫度波動(dòng)現(xiàn)象；在200 W熱負(fù)荷下，能夠維持蒸發(fā)器最高溫度在80℃以下，環(huán)路熱管的熱阻僅為0.15 K／W。由于新型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)縮短了熱傳遞路徑，降低了蒸發(fā)／沸騰的強(qiáng)化以及熱泄漏，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管對(duì)比，能夠有效提升環(huán)路熱管的反重力運(yùn)行能力。

環(huán)路熱管；反重力實(shí)驗(yàn)；蒸發(fā)器；雙孔毛細(xì)芯

電子設(shè)備小型化及高功率化的發(fā)展不可避免地帶來(lái)嚴(yán)重的熱耗散問題，并成為制約電子設(shè)備可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素［1］。環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）作為一種高效的被動(dòng)式相變冷卻裝置，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，合理的設(shè)計(jì)能夠使環(huán)路熱管在小溫差下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的高熱量輸送。將環(huán)路熱管小型化，并應(yīng)用于電子設(shè)備冷卻，是LHP地面應(yīng)用的研究熱點(diǎn)［2－6］。與圓柱式環(huán)路熱管相比，平板型環(huán)路熱管易于與接觸面結(jié)合，具有更小的接觸熱阻，受到研究者的青睞［7］。

然而環(huán)路熱管的地面應(yīng)用需解決小型化和抗重力工作等問題。一方面，環(huán)路熱管的小型化不可避免的導(dǎo)致芯體尺寸的減小，從而使背向漏熱增大，蒸發(fā)器和補(bǔ)償器之間所必需的溫差和壓差更難以滿足［8］；當(dāng)環(huán)路熱管的蒸發(fā)器為平板型時(shí)，該問題更加突出［9］。另一方面，與空間的微重力環(huán)境不同，環(huán)路熱管的地面應(yīng)用會(huì)受到重力作用的影響，工質(zhì)的分布并不是理想的均勻狀態(tài)；尤其是當(dāng)反重力運(yùn)行時(shí)，即蒸發(fā)器的位置高于冷凝器時(shí)，工質(zhì)的重力壓差會(huì)引起循環(huán)阻力的增大，此時(shí)環(huán)路熱管往往存在啟動(dòng)過(guò)溫、溫度波動(dòng)、運(yùn)行溫度高以及傳熱能力差等問題［10－16］，極大限制了環(huán)路熱管的應(yīng)用。

為改善環(huán)路熱管的性能，研究者提出了一系列措施，其中蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，包括內(nèi)部毛細(xì)芯的種類、與蒸發(fā)器相連的補(bǔ)償腔結(jié)構(gòu)等。C.C.Yeh等［17］將雙孔結(jié)構(gòu)的鎳毛細(xì)芯應(yīng)用于圓柱形環(huán)路熱管，并在水平方向?qū)ζ溥\(yùn)行特性進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與單一孔徑的毛細(xì)芯相比，換熱系數(shù)提高了6倍以上。S. C.Wu等［18］采用聚四氟乙烯（PTEE）毛細(xì)芯來(lái)降低環(huán)路熱管的熱泄漏，發(fā)現(xiàn)與鎳毛細(xì)芯相比，PTEE毛細(xì)芯能夠顯著降低運(yùn)行溫度。Z.C.Liu等［19］提出了一種雙芯平板環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)，在蒸發(fā)器的上部和下部分別布置毛細(xì)芯，降低熱泄漏的同時(shí)增大了蒸發(fā)面積，水平方向運(yùn)行時(shí)，能夠使熱流密度達(dá)到 17.7 W／cm2。Y.Tang等［20］設(shè)計(jì)了一種具有梯度孔徑毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)的圓柱形環(huán)路熱管，反重力方向運(yùn)行時(shí)，在90 W熱負(fù)荷下，能夠維持蒸發(fā)器的溫度在84℃以下。L.Z.Bai等［21］發(fā)現(xiàn)雙補(bǔ)償腔結(jié)構(gòu)能夠使環(huán)路熱管在小功率下順利啟動(dòng)，不受蒸發(fā)器和補(bǔ)償腔相對(duì)位置的影響，但存在啟動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng)和啟動(dòng)過(guò)溫現(xiàn)象。

綜上所述：地面應(yīng)用的特點(diǎn)使環(huán)路熱管向小型化、平板化和抗重力化方向發(fā)展，同時(shí)對(duì)環(huán)路熱管的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。針對(duì)環(huán)路熱管的性能優(yōu)化已開展了大量的研究，然而抗重力工作的研究不多，平板型環(huán)路熱管的抗重力研究更少，抗重力運(yùn)行能力差仍然是制約環(huán)路熱管地面應(yīng)用的難題。本文在傳統(tǒng)平板式環(huán)路熱管的基礎(chǔ)上，以提升環(huán)路熱管的抗重力工作能力為目的，對(duì)毛細(xì)芯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在反重力條件下對(duì)其傳熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括環(huán)路熱管系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1（a）所示為實(shí)驗(yàn)用環(huán)路熱管系統(tǒng)的示意圖，由蒸發(fā)器、補(bǔ)償腔、蒸氣管路、冷凝器、液體管路5部分組成。其中蒸發(fā)器為平板圓形，并與補(bǔ)償腔集成于一體；作為環(huán)路熱管的核心部件，蒸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將在2.2章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。冷凝器采用風(fēng)冷管翅式冷凝器，額定功率為5 W。

實(shí)驗(yàn)采用不銹鋼薄膜加熱片作為模擬熱源，有效加熱面積為5 cm2；加熱片與蒸發(fā)器底部之間涂有導(dǎo)熱硅脂，以減小接觸熱阻；通過(guò)與加熱片相連接的調(diào)壓器可實(shí)現(xiàn)不同功率的熱量輸入。

溫度數(shù)據(jù)的獲取采用Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀，與之相連的K型熱電偶可準(zhǔn)確測(cè)量不同特征位置的運(yùn)行溫度。測(cè)溫點(diǎn)的布置如圖1中黑色圓點(diǎn)所示，其中Teout和Tcp所對(duì)應(yīng)的熱電偶分別伸入蒸氣管路和補(bǔ)償器內(nèi)，以準(zhǔn)確測(cè)量蒸氣入口和補(bǔ)償腔內(nèi)流體的溫度，如圖1（b）和圖1（c）所示；其余熱電偶均直接焊于接觸壁面。圖1（d）描述了蒸發(fā)器底部熱電偶的布置，Tc位于蒸發(fā)器底部中心，其余8個(gè)熱電偶（T1～T8）沿底板直徑方向均勻布置。

圖1 環(huán)路熱管系統(tǒng)及測(cè)溫點(diǎn)布置Fig.1 The loop heat pipe and location of the thermocouples

環(huán)路熱管的主體以紫銅為原材料，長(zhǎng)×寬（L× W）為300 mm×200 mm，幾何參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)路熱管的主要參數(shù)Tab.1 Significant parameters of the loop heat pipe

本文重點(diǎn)研究環(huán)路熱管的反重力運(yùn)行特性，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)始終保持圖1（a）所示的反重力方向，即蒸發(fā)器高于冷凝器，且LHP所處平面與水平面垂直，反重力高度為300 mm。工質(zhì)為去離子水，充液率50%。環(huán)境溫度維持在（23±1）℃。

1.2蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

作為蒸發(fā)／沸騰的場(chǎng)所，蒸發(fā)器尤其是內(nèi)部毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到LHP傳熱性能的優(yōu)劣。理論上來(lái)說(shuō)，LHP的可靠運(yùn)行需滿足兩個(gè)基本條件，即動(dòng)力學(xué)條件和熱力學(xué)條件。

一方面，毛細(xì)芯所提供的毛細(xì)壓力需克服系統(tǒng)的循環(huán)阻力：

式中：Δpc、Δptot、Δpgroove、Δpv、Δpcond、Δpl、Δpw、Δpg分別為毛細(xì)壓力、總壓降、槽道壓降、蒸氣管路壓降、冷凝壓降、液體管路壓降、毛細(xì)芯壓降以及重力壓降，Pa；σ為工質(zhì)的表面張力；re為芯體的有效孔徑。

另一方面，從熱力循環(huán)角度，工質(zhì)的循環(huán)需滿足飽和壓力的不同：

式中：Δpsat為蒸發(fā)表面與補(bǔ)償器間的飽和壓差，Pa；Tv為毛細(xì)芯內(nèi)的蒸氣溫度，℃；Tcp為補(bǔ)償腔內(nèi)的飽和溫度，℃，且該溫度受蒸發(fā)器漏熱的影響；psat（Tv）和psat（Tcp）分別為Tv及Tcp對(duì)應(yīng)的飽和壓力，Pa；Δpex為不包含毛細(xì)芯壓降Δpw的總壓降，Pa。

由公式（1）～（4）可知，反重力工作時(shí)，由于重力壓降的存在，對(duì)毛細(xì)壓力Δpc以及飽和壓差Δpsat均提出了更高的要求。

然而毛細(xì)壓力的提高依賴于芯體孔徑的減小，不可避免的導(dǎo)致流動(dòng)阻力的增大，影響LHP的運(yùn)行；提高LHP的反重力性能需更好解決毛細(xì)壓力和流動(dòng)阻力之間的矛盾。

另外，飽和壓差的提高需蒸發(fā)器產(chǎn)生連續(xù)且足夠的蒸氣量以推動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，且補(bǔ)償腔維持較低的溫度。要求強(qiáng)化壁面的蒸發(fā)／沸騰作用，并降低向補(bǔ)償腔的熱泄漏。

因此從三方面入手解決上述問題：1）構(gòu)建雙孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯以解決毛細(xì)壓力與流動(dòng)阻力之間的矛盾；2）利用集成蒸氣通道的一體式毛細(xì)芯替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工微槽以強(qiáng)化壁面換熱；3）在毛細(xì)芯的上部布置2 mm的吸液棉作為隔熱層，以降低熱泄漏。

圖2所示為雙孔毛細(xì)芯的掃描電鏡圖，所用原材料為平均粒徑88 μm的枝狀銅粉。由圖2可知，毛細(xì)芯內(nèi)存在兩種尺寸不同的孔隙：銅粉顆粒間形成較小的孔隙，能夠提供較大的毛細(xì)壓以利于工質(zhì)吸入；銅粉顆粒聚集成群，形成顆粒簇，顆粒簇之間形成較大的孔隙以降低流動(dòng)阻力。

圖2 雙孔毛細(xì)芯的掃描電鏡圖Fig.2 SEM micrographs of the biporous wick

圖3所示為統(tǒng)型LHP以及新結(jié)構(gòu)LHP的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。對(duì)于傳統(tǒng)平板環(huán)路熱管，其蒸發(fā)器大多由機(jī)械加工的蒸氣通道和毛細(xì)芯構(gòu)成，簡(jiǎn)稱為MWE，如圖3 （a）所示。本文利用燒結(jié)技術(shù)將毛細(xì)芯與蒸氣通道集成于一體，簡(jiǎn)稱為IWE，如圖3（b）所示，即蒸氣通道也由燒結(jié)形成。

圖3 蒸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the evaporator

與MWE結(jié)構(gòu)相比，IWE結(jié)構(gòu)表面存在大量核化穴，有利于強(qiáng)化蒸發(fā)／沸騰換熱，并縮短了熱量向毛細(xì)芯的傳遞路徑，易于產(chǎn)生充足的蒸氣量以推動(dòng)工質(zhì)循環(huán)。值得指出的是，雙孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)芯具有“小孔吸液，大孔排氣”效果，有利于相變傳熱的強(qiáng)化［22］。

為對(duì)比分析，對(duì)圖3所示兩種結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。除蒸氣通道的構(gòu)成形式不同外，其余部分均具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，蒸氣通道的寬度、間距和高度分別為3 mm，2 mm和1.5 mm，數(shù)量為14個(gè)。基板表面和蒸氣通道上部毛細(xì)芯的厚度分別為1 mm和2 mm。

對(duì)于新型結(jié)構(gòu)的LHP，本課題組已經(jīng)對(duì)其充液率，蒸氣槽道尺寸等參數(shù)進(jìn)行了研究［23］，本文重點(diǎn)研究其反重力性能。

1.3數(shù)據(jù)處理

為合理評(píng)價(jià)環(huán)路熱管傳熱特性，定義三類熱阻，其中蒸發(fā)器的熱阻R ，K／W：

式中：Tc，Teout，Tcin，Tcout，Tair分別為蒸發(fā)器壁面中心溫度、蒸氣出口溫度、冷凝入口溫度、冷凝出口溫度以及環(huán)境溫度，℃；Q為加熱功率，W。

Reva，Rtotal分別反映了蒸發(fā)器和環(huán)路熱管系統(tǒng)的熱性能，RLHP反映了蒸發(fā)器和冷凝器的綜合熱性能。蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)α，W／（m2·K）：

式中：A為加熱面積，取5 cm2。

需要指出的是，實(shí)際上蒸發(fā)器的熱阻和傳熱系數(shù)應(yīng)以制冷劑的飽和溫度進(jìn)行計(jì)算，然而由于該溫度難以測(cè)量，且與蒸氣出口溫度較為接近，因此本文對(duì)于蒸發(fā)器熱阻和傳熱系數(shù)的計(jì)算均以蒸發(fā)器出口溫度Teout代替制冷劑的飽和溫度，如式（5）和式（8）所示，文獻(xiàn)［9，17，19，22，23］也均采用了與本文一致的計(jì)算方法。

另外，以均方差反應(yīng)溫度的不均勻程度：

式中：n為蒸發(fā)器壁面測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)量，n＝9；Ti，T—分別為不同測(cè)點(diǎn)的溫度及平均溫度，℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)特性

LHP能否低溫、快速啟動(dòng)是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。圖4所示為兩種不同蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管，在熱負(fù)荷20 W時(shí)的啟動(dòng)特性。

圖4 20 W熱負(fù)荷下的啟動(dòng)特性Fig.4 Start?up of LHP at Q＝20 W

對(duì)于MWE環(huán)路熱管（圖4（a）），從0 s時(shí)刻開始，壁面中心溫度Tc和蒸氣出口溫度Teout逐漸上升，并在約360 s時(shí)刻達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；而冷凝器入口溫度Tcin卻出現(xiàn)驟升并隨后下降的現(xiàn)象，表明沒有連續(xù)的蒸氣進(jìn)入冷凝器，工質(zhì)的循環(huán)并不穩(wěn)定，可認(rèn)為是一種半啟動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于IWE環(huán)路熱管（圖4（b）），在約180 s時(shí)刻，壁面中心溫度Tc，蒸氣出口溫度Teout以及冷凝器入口溫度Tcin均升高到穩(wěn)定的狀態(tài)，表明工質(zhì)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的正向循環(huán)，LHP成功啟動(dòng)。且與MWE環(huán)路熱管相比，壁面中心溫度Tc降低了約20℃。相比MWE環(huán)路熱管，IWE環(huán)路熱管能夠快速的低溫啟動(dòng)，原因在于一體式的毛細(xì)芯縮短了底板向毛細(xì)芯的熱傳遞路徑，強(qiáng)化了蒸發(fā)器內(nèi)的相變傳熱過(guò)程。

2.2 特征點(diǎn)溫度

圖5所示為兩種不同蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管，在不同功率時(shí)的特征點(diǎn)溫度。其中Z為沿環(huán)路方向的延伸長(zhǎng)度。由圖5可知，沿環(huán)路方向，不同的位置存在較大的溫度變化?？傮w趨勢(shì)是，從底板中心至冷凝器出口，溫度逐漸下降；而冷凝器出口到補(bǔ)償腔，溫度則升高。

這是由工質(zhì)的熱力循環(huán)特性所決定的。一般而言，工質(zhì)在毛細(xì)芯內(nèi)蒸發(fā)，蒸氣處于飽和狀態(tài)；飽和蒸氣沿蒸氣槽道向蒸發(fā)器出口流動(dòng)，并繼續(xù)被加熱，蒸發(fā)器出口的蒸氣溫度Teout升高，蒸氣處于過(guò)熱狀態(tài)，但由于存在壁面過(guò)熱度，Teout仍低于加熱壁面中心溫度Tc；過(guò)熱蒸氣沿蒸氣管線流向冷凝器，克服流動(dòng)阻力導(dǎo)致壓力降低，在冷凝器入口一般仍為過(guò)熱狀態(tài)，但由于外部散熱，蒸氣溫度Tcin應(yīng)略有下降；過(guò)熱蒸氣在冷凝器內(nèi)被冷卻為液態(tài)，冷凝器出口溫度下降至Tcout（Tcout維持室溫23℃）；液態(tài)工質(zhì)沿液體管線回流至補(bǔ)償腔，由于蒸發(fā)器向補(bǔ)償腔的漏熱，補(bǔ)償腔溫度Tcp升高。

圖5沿環(huán)路方向上特征點(diǎn)的溫度分布Fig.5 Distribution of characteristic temperature around the LHP loop

然而圖5中存在一個(gè)異常的溫度變化，除MWE環(huán)路熱管在20 W熱負(fù)荷時(shí)，其余工況下Teout和Tcin之間存在溫升（溫升小于1.5℃），原因可能是測(cè)溫方式不同導(dǎo)致的誤差。Teout的測(cè)量是在管道中插入熱電偶，為了防止泄漏和管內(nèi)工質(zhì)對(duì)熱電偶的沖刷，熱電偶絲的外部設(shè)置了銅質(zhì)保護(hù)套管，保護(hù)套管與外部環(huán)境的熱交換可能引起測(cè)溫值的偏低［24］；而Tcin的測(cè)量則是將熱電偶絲直接焊接在管壁上，并不存在保護(hù)套管引起的傳熱誤差。這一較小的誤差并不會(huì)影響對(duì)環(huán)路熱管整體運(yùn)行特性的揭示，更加合理的測(cè)溫方式也是下一步工作有待改進(jìn)的部分。而MWE環(huán)路熱管在20 W熱負(fù)荷時(shí)，2.1章節(jié)已分析其處于一種半啟動(dòng)狀態(tài)，沒有連續(xù)的蒸氣進(jìn)入冷凝器，因此冷凝器入口溫度并沒有顯著升高。

從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，在較高熱負(fù)荷時(shí)（100 W），MWE環(huán)路熱管的補(bǔ)償腔溫度Tcp驟升；而對(duì)于IWE環(huán)路熱管，在低或高熱負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)償腔溫度Tcp均變化不大。表明高熱負(fù)荷時(shí)，MWE環(huán)路熱管存在較大的熱泄漏，而IWE環(huán)路熱管的熱泄漏較小。原因在于，IWE環(huán)路熱管的蒸氣通道也為燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)，近底板附近能夠發(fā)生激烈的蒸發(fā)／沸騰換熱，有利于推動(dòng)工質(zhì)的循環(huán)，而蒸氣通道上層的毛細(xì)芯更多的扮演補(bǔ)給流體的作用，上層毛細(xì)芯潤(rùn)濕程度好，潤(rùn)濕的毛細(xì)芯阻止了汽泡向補(bǔ)償腔的集聚，降低了熱泄漏；而MWE環(huán)路熱管的蒸發(fā)／沸騰多發(fā)生于毛細(xì)芯與蒸氣通道兩側(cè)槽壁的接觸面上，上層毛細(xì)芯不僅吸液，而且也是蒸發(fā)／沸騰的場(chǎng)所，高熱負(fù)荷時(shí)，毛細(xì)芯更易蒸干，潤(rùn)濕程度差，產(chǎn)生的汽泡易于向補(bǔ)償腔運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了較大的熱泄漏。

2.3最高溫度及均溫性

最高溫度和均溫性是反應(yīng)電子器件安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，很多電子器件要求最高運(yùn)行溫度低于80℃。圖6反映了不同功率下，兩種LHP的最高溫度。

由圖6可知，IWE環(huán)路熱管的最高溫度Tc遠(yuǎn)低于MWE環(huán)路熱管。加熱功率為200 W時(shí)，IWE環(huán)路熱管的最高溫度僅為75℃，而MWE環(huán)路熱管熱負(fù)荷為100 W時(shí)，最高溫度超過(guò)85℃。且由圖7可知，對(duì)于IWE環(huán)路熱管，蒸發(fā)器底面溫度的標(biāo)準(zhǔn)差更小，均溫性更好。原因在于，一體化的毛細(xì)芯替代機(jī)械加工的蒸氣通道不僅強(qiáng)化了換熱，而且有利于工質(zhì)的均勻分布。

圖6蒸發(fā)器壁面中心溫度隨加熱功率的變化Fig.6 Temperature of the wall center of evaporator at different heat loads

2.4熱阻及傳熱系數(shù)

圖8所示為L(zhǎng)HP熱阻隨加熱功率的變化。隨加熱功率的增大，總體上三種熱阻（Reva，RLHP及Rtotal）呈減小趨勢(shì)；然而對(duì)于MWE環(huán)路熱管，其蒸發(fā)器熱阻Reva在100 W時(shí)出現(xiàn)增大，表明蒸發(fā)器出現(xiàn)了傳熱惡化的狀況。前文已經(jīng)指出，加熱功率100 W時(shí)，MWE環(huán)路熱管存在較大的熱泄漏，阻礙了工質(zhì)向毛細(xì)芯的補(bǔ)充。另外可以看到，由于傳熱的強(qiáng)化，IWE環(huán)路熱管各部分的熱阻均小于MWE環(huán)路熱管相對(duì)應(yīng)的熱阻。

圖9所示為蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨加熱功率的變化。對(duì)于MWE環(huán)路熱管，其傳熱系數(shù)在100 W時(shí)出現(xiàn)下降，與此時(shí)蒸發(fā)器熱阻出現(xiàn)增大是對(duì)應(yīng)的，均源于漏熱的增大引發(fā)傳熱惡化。而對(duì)于IWE環(huán)路熱管，其傳熱系數(shù)大于同功率下MWE環(huán)路熱管；且大致可將傳熱系數(shù)α的變化曲線分為兩段，100 W之前α隨功率的增加而增大，100 W之后α基本穩(wěn)定于28～31 kW／（m2·K）范圍內(nèi)。原因可能是不同的傳熱機(jī)制起作用，對(duì)于傳熱系數(shù)遞增的階段，主導(dǎo)機(jī)制可能是泡核沸騰機(jī)制；而傳熱系數(shù)較為穩(wěn)定的階段，主導(dǎo)機(jī)制可能是薄液膜蒸發(fā)機(jī)制。

圖8 熱阻隨加熱功率的變化Fig.8 Thermal resistance versus heat loads

圖9 傳熱系數(shù)隨加熱功率的變化Fig.9 Evaporator heat transfer coefficients versus heat loads

3 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)平板環(huán)路熱管基礎(chǔ)上，創(chuàng)新蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用集成蒸氣通道的一體式燒結(jié)毛細(xì)芯替代傳統(tǒng)的機(jī)械加工微槽道，并在反重力條件下進(jìn)行傳熱特性研究，主要結(jié)論如下：

1）新結(jié)構(gòu)LHP能夠顯著縮短啟動(dòng)時(shí)間和降低啟動(dòng)溫度，且無(wú)溫度波動(dòng)現(xiàn)象；

2）新結(jié)構(gòu)LHP能夠在反重力高度300 mm和熱負(fù)荷200 W的情況下，維持蒸發(fā)器最高溫度在75℃，且LHP的熱阻僅為0.15 K／W，極大拓寬了熱負(fù)荷范圍并減小了熱阻；

3）新結(jié)構(gòu)LHP反重力運(yùn)行性能的提高主要?dú)w因于：集成蒸氣通道的燒結(jié)毛細(xì)芯縮短了熱傳遞路徑，強(qiáng)化了蒸發(fā)器壁面的傳熱過(guò)程，有利于工質(zhì)的正向循環(huán)，并進(jìn)一步降低了熱泄漏。

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Anti?gravity Operating Performance of a Miniature Loop Heat Pipe with Flat Evaporator

Yang Wolong Ji Xianbing Xu Jinliang
（North China Electric Power University，State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer，Beijing，102206，China）

To meet the needs of efficient electronics cooling，a flat loop heat pipe（LHP）with novel evaporator structure was designed based on improving capillary pressure，decreasing flow resistance，enhancing heat transfer and reducing heat leakage.Compared with e?vaporator of conventional flat loop heat pipe，the novel evaporator replaced mechanical microchannels with biporous microchannels.Heat transfer performance of the LHP was investigated at the anti?gravity orientation.The experimental result showed that，the LHP can start?up quickly without any temperature overshoot and oscillation at the heat load of 20 W.Besides，the novel LHP was able to keep the highest temperature of the evaporator below 80℃，and the thermal resistance of LHP was only 0.15 K／W at the heat load of 200 W.The compar?ative experiments indicated that the novel design of evaporator can shorten the heat transfer route in the height direction，enhance evapora?tion／boiling heat transfer and further reduce heat leakage，thus improved the anti?gravity operating ability of LHP.

loop heat pipe；anti?gravity experiment；evaporator；biporous

TB61＋1；TK172；TQ051.5

A

0253－4339（2017）01－0088－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.088

徐進(jìn)良，男，教授，華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，18811587011，E?mail：ywl＠ncepu.edu.cn。研究方向：微納尺度流動(dòng)與傳熱、電子冷卻等?，F(xiàn)在進(jìn)行的研究項(xiàng)目有：國(guó)家自然科學(xué)基金（51436004）——相變傳熱裝置多尺度協(xié)同性及構(gòu)造。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51436004，51276061）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（JB2015202）項(xiàng)目資助。（The project was suppor?ted by the National Natural Science Foundation of China（No.51436004＆No.51276061）and Central University Special Foundation for Basic Scien?tific Research（No.JB2015202）.）

2016年3月5日

About the corresponding author

Xu Jinliang，male，professor，School of Energy Power and Me?chanical Engineering，North China Electric Power University，＋86 18811587011，E?mail：ywl＠ncepu.edu.cn.Research fields：micro and nano scale flow and heat transfer，electronics cooling. The author takes on project supported by the National Natural Sci?ence Foundation of China（No.51436004）：multiscale synergy and construction of phase change heat transfer devices.