劉成，謝榮建，王仕越，吳亦農(nóng)

（1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083； 2.上海科技大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201210；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

環(huán)路熱管是一種兩相傳熱裝置，主要利用工質(zhì)的氣液兩相換熱及流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的熱傳輸［1-2］。蒸發(fā)器內(nèi)部的毛細(xì)芯能夠產(chǎn)生毛細(xì)力而驅(qū)動(dòng)工質(zhì)的流動(dòng)，避免了使用運(yùn)動(dòng)部件來(lái)提供動(dòng)力，保證了環(huán)路熱管的高可靠性和長(zhǎng)壽命。氣液分離的薄壁傳輸管線使環(huán)路熱管擁有強(qiáng)傳熱能力和高柔性。環(huán)路熱管眾多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其在航天器熱控及電子散熱等領(lǐng)域得到諸多關(guān)注［3-5］。如空間探測(cè)器通常利用低溫環(huán)路熱管的柔性和遠(yuǎn)距離傳熱能力使空間載荷布局合理，實(shí)現(xiàn)高效熱控的同時(shí)隔離低溫制冷機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)和電磁干擾［6-7］，高集成化的電子器件散熱系統(tǒng)中也廣泛應(yīng)用了環(huán)路熱管［8-9］。

補(bǔ)償器是調(diào)節(jié)環(huán)路熱管工作壓力的重要部件，其內(nèi)部工質(zhì)的狀態(tài)能明顯影響環(huán)路熱管的傳熱性能。補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)、傳熱量及工質(zhì)充裝量是影響環(huán)路熱管補(bǔ)償器內(nèi)部工質(zhì)狀態(tài)的主要因素，這也吸引諸多學(xué)者的研究。如柏立戰(zhàn)等［10］研究了環(huán)路熱管工質(zhì)充裝量和補(bǔ)償器容積的確定方法及充裝量和補(bǔ)償器容積的匹配關(guān)系。Yan等［11］探究了工質(zhì)充裝量對(duì)液氮溫區(qū)低溫環(huán)路熱管的傳熱性能的影響，得到了樣機(jī)的最佳充裝壓力。Du等［12］研究了充裝壓力對(duì)小型低溫環(huán)路熱管運(yùn)行的影響。張紅星等［13］研究了工質(zhì)充裝量對(duì)環(huán)路熱管溫度波動(dòng)的影響。Mo和Liang［14］研究了低充裝量下低溫環(huán)路熱管的運(yùn)行特性。上述研究多限于工質(zhì)充裝量和環(huán)路熱管運(yùn)行特性之間直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，少有對(duì)補(bǔ)償器內(nèi)部工質(zhì)狀態(tài)影響的分析。

環(huán)路熱管內(nèi)未參與循環(huán)換熱的工質(zhì)多存儲(chǔ)于補(bǔ)償器內(nèi)，所以充裝量不同導(dǎo)致的主要結(jié)果是補(bǔ)償器內(nèi)的工質(zhì)量存在較大差異，因此有必要對(duì)環(huán)路熱管的補(bǔ)償器進(jìn)行可視化研究以加深充裝量對(duì)環(huán)路熱管運(yùn)行特性影響的認(rèn)識(shí)。對(duì)環(huán)路熱管的可視化研究多集中于常溫區(qū)域，如Hossain［15］采用水作為工質(zhì)對(duì)平板型環(huán)路熱管進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀察到了啟動(dòng)階段氣體管線內(nèi)多余液態(tài)工質(zhì)的排出及運(yùn)行階段冷凝器和補(bǔ)償器內(nèi)氣泡的形成。Mo等［16］通過(guò)對(duì)平板型環(huán)路熱管的可視化研究觀察到了不同傳熱量下氣體管線內(nèi)工質(zhì)的不同流型及冷凝器內(nèi)氣液界面的運(yùn)動(dòng)。另有學(xué)者采用間接成像技術(shù)對(duì)環(huán)路熱管進(jìn)行了可視化研究，如Nemec和Malcho［17］通過(guò)紅外熱成像技術(shù)研究了環(huán)路熱管從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作各階段的溫度分布情況。Okamoto等［18］用中子成像技術(shù)對(duì)環(huán)路熱管進(jìn)行了可視化研究，觀察到了毛細(xì)芯中的流體在啟動(dòng)階段和燒干過(guò)程中的變化。

由于本文研究背景涉及較低溫區(qū)，所以可視化部件需要承受較大范圍的溫度變化，且實(shí)驗(yàn)在真空罐內(nèi)進(jìn)行，不宜采用間接成像技術(shù)。為同時(shí)保證可視化效果、耐低溫性、連接密封性及承壓能力，采用石英材質(zhì)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償器的可視化。補(bǔ)償器與蒸發(fā)器之間為法蘭結(jié)構(gòu)連接，利用高速攝像機(jī)對(duì)補(bǔ)償器內(nèi)的工質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行拍攝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙烯環(huán)路熱管補(bǔ)償器的可視化實(shí)驗(yàn)研究，直觀揭示了補(bǔ)償器內(nèi)的工質(zhì)狀態(tài)隨充裝量和傳熱量的變化及充裝量影響環(huán)路熱管運(yùn)行特性的內(nèi)部因素。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of loop heat pipe structure

表1 環(huán)路熱管參數(shù)Tab le 1 Param eters of loop heat pipe

實(shí)驗(yàn)采用的環(huán)路熱管的結(jié)構(gòu)示意及參數(shù)分別如圖1和表1所示。該環(huán)路熱管主要由蒸發(fā)器、毛細(xì)芯、氣體管線、冷凝器、液體管線、補(bǔ)償器等部分構(gòu)成，總?cè)莘e約為51.4 m L。蒸發(fā)器和氣液傳輸管線為316 L不銹鋼材質(zhì)，毛細(xì)芯材料為燒結(jié)氧化鋯，冷凝器管線為無(wú)氧銅材質(zhì)。工質(zhì)為高純丙烯，充裝量分別為13.7、16.7、19.7、22.7、24.3 g。除補(bǔ)償器入口與液體管線之間的連接及補(bǔ)償器出口與蒸發(fā)器之間的連接以外，其他部位之間的連接方式為焊接或卡套管連接。

環(huán)路熱管補(bǔ)償器為石英材質(zhì)，其與不銹鋼蒸發(fā)器和液體管線之間采用法蘭結(jié)構(gòu)連接，通過(guò)螺栓緊固，中間有O形密封圈，如圖2所示。O形溝槽在不銹鋼一側(cè)，O形密封圈置于溝槽中，O形密封圈外層密封圈為改進(jìn)的聚四氟乙烯，內(nèi)層為鈷鎳鉻合金蓄能彈簧。當(dāng)補(bǔ)償器內(nèi)承壓時(shí)，系統(tǒng)壓力及彈簧彈力使密封圈外層與兩側(cè)連接部件貼合緊密，保證良好的密封性，如圖3所示，合金彈簧的彈性使該結(jié)構(gòu)能承受因溫度變化而帶來(lái)的形變應(yīng)力。保壓和耐低溫測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)和連接方式能承受1.5MPa壓力無(wú)泄漏，能承受1min之內(nèi)從室溫到液氮溫區(qū)的溫度劇變無(wú)破裂和泄漏，能長(zhǎng)時(shí)間耐液氮低溫，滿足丙烯工質(zhì)從充裝到實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)要求。

圖2 補(bǔ)償器與蒸發(fā)器連接示意圖Fig.2 Schematic of connection between compensation chamber and evaporator

圖3 O形密封圈橫切面示意圖Fig.3 Schematic of transverse section of O-shaped sealing ring

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，主要由真空罐、脈管制冷機(jī)、真空泵組、循環(huán)水冷、數(shù)據(jù)采集器、直流電源、高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成。為減少輻射、對(duì)流換熱及傾斜角度的影響，除補(bǔ)償器外的環(huán)路熱管各部位用30層隔熱組件包覆，整體水平置于真空罐內(nèi)，由真空罐和真空泵組提供真空度優(yōu)于4.95×10-3Pa實(shí)驗(yàn)環(huán)境。蒸發(fā)器外壁面貼有直流薄膜加熱片以模擬熱源，脈管制冷機(jī)的“冷頭”與環(huán)路熱管冷凝器耦合以模擬熱沉，加熱片和制冷機(jī)分別由各自配套電源供電，調(diào)節(jié)電源輸入功能夠模擬不同工作溫度和傳熱量的多種工況。循環(huán)水冷用來(lái)為制冷機(jī)和分子泵散熱。環(huán)路熱管各部件關(guān)鍵位置安裝有精度優(yōu)于±0.5 K的Pt 1000測(cè)溫電阻以測(cè)量各部位溫度，安裝示意位置見(jiàn)圖1，測(cè)得的溫度由數(shù)據(jù)采集器采集并傳輸至計(jì)算機(jī)記錄保存。高速攝像機(jī)置于真空罐外，鏡頭與環(huán)路熱管補(bǔ)償器對(duì)齊，能通過(guò)真空罐端蓋的可視化窗口拍攝實(shí)驗(yàn)過(guò)程中補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)的變化狀況。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of experimental system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 環(huán)路熱管降溫和啟動(dòng)過(guò)程

待完成各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的檢查后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時(shí)觀察補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)的變化。開(kāi)啟真空泵組對(duì)真空罐進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空罐內(nèi)真空度達(dá)到1×10-2Pa后開(kāi)啟脈管制冷機(jī)對(duì)環(huán)路熱管冷凝器進(jìn)行降溫。由于工質(zhì)的密度隨溫度降低而變大，工質(zhì)向溫度較低的冷凝器收縮聚集，導(dǎo)致補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)液面高度下降。如圖5所示，當(dāng)充裝量為13.7 g時(shí)，補(bǔ)償器內(nèi)液面高度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前明顯高于降溫10 m in后。其他充裝量下的環(huán)路熱管補(bǔ)償器內(nèi)的液面在降溫前后的變化與此類(lèi)似，都在降溫后出現(xiàn)一定的下降。

當(dāng)冷凝器最低溫度接近研究背景設(shè)定的200 K目標(biāo)溫度時(shí)，開(kāi)啟直流電源對(duì)薄膜加熱片輸入10W 加熱功率。蒸發(fā)器吸收來(lái)自熱源的熱量導(dǎo)致其溫度略有上升，毛細(xì)芯外表面處的液態(tài)工質(zhì)吸熱蒸發(fā)形成氣態(tài)工質(zhì)并進(jìn)入氣體管線，隨后經(jīng)過(guò)氣體管線進(jìn)入冷凝器并推動(dòng)其中的冷凝液體進(jìn)入液體管線，這一過(guò)程表現(xiàn)為氣體管線和冷凝器入口溫度的上升，冷凝器出口和液體管線溫度下降，如圖6中25m in處溫度變化所示。

圖5 降溫前后補(bǔ)償器內(nèi)液面高度變化對(duì)比Fig.5 Comparison of liquid levels inside compensation chamber before and after cooling

持續(xù)蒸發(fā)形成的氣態(tài)工質(zhì)繼續(xù)推動(dòng)冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)液體管線和引流管進(jìn)入蒸發(fā)器核心和補(bǔ)償器，導(dǎo)致蒸發(fā)器和補(bǔ)償器的溫度開(kāi)始下降，如圖6中28min處溫度變化所示。蒸發(fā)器核心內(nèi)的液體工質(zhì)再次被毛細(xì)力抽吸至毛細(xì)芯外表面參與吸熱蒸發(fā)，至此工質(zhì)開(kāi)始在環(huán)路熱管內(nèi)部形成循環(huán)流動(dòng)，環(huán)路熱管開(kāi)始啟動(dòng)。調(diào)節(jié)脈管制冷機(jī)的輸入功以保持冷凝器的最低溫度穩(wěn)定于200 K附近，當(dāng)環(huán)路熱管各部位的溫度都達(dá)到穩(wěn)定后，以10W 為步長(zhǎng)依次增大薄膜加熱片的功率以模擬下一個(gè)工況，直到蒸發(fā)器溫度超過(guò)應(yīng)用背景限定的280 K。

圖6 充裝量為13.7 g時(shí)環(huán)路熱管的啟動(dòng)過(guò)程Fig.6 Start-up process of loop heat pipe with a working fluid inventory of 13.7 g

2.2 環(huán)路熱管穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程

各充裝量下的環(huán)路熱管均能順利啟動(dòng)降溫，當(dāng)充裝量為13.7、16.7 g時(shí)，穩(wěn)定工況下補(bǔ)償器內(nèi)的液面高度明顯低于引流管。此時(shí)蒸發(fā)器的核心通道內(nèi)大部分空間被氣態(tài)工質(zhì)占據(jù)，液態(tài)工質(zhì)的蒸發(fā)面積大，蒸發(fā)器核心內(nèi)工質(zhì)與引流管和補(bǔ)償器之間的相變換熱強(qiáng)烈。其換熱機(jī)理類(lèi)似于熱管的工作過(guò)程，即工質(zhì)在蒸發(fā)器核心中蒸發(fā)后向補(bǔ)償器一側(cè)流動(dòng)并放熱給溫度較低的引流管和回流的低溫工質(zhì)及補(bǔ)償器，被冷凝后的液態(tài)工質(zhì)再次進(jìn)入蒸發(fā)器核心內(nèi)參與蒸發(fā)。如圖7所示（t表示拍攝時(shí)間，Q為環(huán)路熱管傳熱量），充裝量為16.7 g時(shí)，20W 和30W 傳熱量下，引流管外壁面有明顯的工質(zhì)冷凝液滴形成和流動(dòng)，而且液滴形成和流動(dòng)的速率隨著傳熱量增加而加快。

由于蒸發(fā)器外表面的蒸發(fā)界面與補(bǔ)償器內(nèi)的工質(zhì)氣液界面均處于飽和狀態(tài)，存在一定的飽和壓力差和對(duì)應(yīng)的溫度差。蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱量大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償器的溫度和壓力上升來(lái)補(bǔ)償漏熱，而補(bǔ)償器的溫度和壓力上升會(huì)造成蒸發(fā)器的壓力及溫度上升以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓力差來(lái)平衡工質(zhì)的流動(dòng)壓降。所以，蒸發(fā)器、補(bǔ)償器及引流管之間強(qiáng)烈的相變換熱導(dǎo)致兩者之間的漏熱量大，會(huì)造成補(bǔ)償器的溫度和壓力較高，最終導(dǎo)致環(huán)路熱管蒸發(fā)器的工作溫度高，傳熱熱阻大。本文涉及的傳熱熱阻定義為

式中：R為傳熱熱阻；Te為蒸發(fā)器的平均溫度；Tc為冷凝器出口溫度。冷凝器進(jìn)出口溫度差異較大，為避免造成較大偏差，采用更接近熱沉溫度的冷凝器出口溫度Tc。

隨著充裝量的增大，蒸發(fā)器核心內(nèi)的空隙變小造成工質(zhì)蒸發(fā)面積變小，蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的相變漏熱量也會(huì)相應(yīng)減小，環(huán)路熱管性能得到一定提升。

充裝量為19.7 g時(shí)，穩(wěn)定工作的環(huán)路熱管補(bǔ)償器內(nèi)液面高度接近蒸發(fā)器核心通道頂端，蒸發(fā)器核心內(nèi)部工質(zhì)的蒸發(fā)面積縮減至最小，蒸發(fā)器與補(bǔ)償器之間的相變換熱和漏熱量也隨之減少，此時(shí)熱管性能最優(yōu)。如圖8所示，在280 K以下的最大傳熱量達(dá)到40W，對(duì)應(yīng)的傳熱熱阻為2K／W。

當(dāng)充裝量為22.7 g和24.3 g時(shí)，穩(wěn)定工作的環(huán)路熱管補(bǔ)償器內(nèi)液面超過(guò)蒸發(fā)器核心頂端。雖然蒸發(fā)器與補(bǔ)償器之間的相變漏熱量隨著蒸發(fā)面積減小而減小，但兩者之間傳導(dǎo)和對(duì)流漏熱量隨著液體工質(zhì)與毛細(xì)芯的接觸面積增加而增大。另外，工質(zhì)回流需排開(kāi)高于引流管的部分工質(zhì)而克服一定的重力，所以工質(zhì)回流的阻力增大，導(dǎo)致蒸發(fā)器的壓力和溫度上升以產(chǎn)生足夠的壓力推動(dòng)工質(zhì)回流循環(huán)。隨著充裝量增加，傳導(dǎo)漏熱量和需要克服的重力都增大，所以充裝量超過(guò)最優(yōu)量后，環(huán)路熱管的蒸發(fā)器溫度隨著充裝量的增加而上升，傳熱性能惡化。

隨著傳熱量的增加，蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱量增大。當(dāng)回流至補(bǔ)償器和蒸發(fā)器核心的液體工質(zhì)過(guò)冷度不足以平衡漏熱量時(shí)會(huì)造成蒸發(fā)器和補(bǔ)償器的溫度上升，導(dǎo)致補(bǔ)償器內(nèi)液體工質(zhì)的密度變小及體積變大。另外，隨著傳熱量增加，冷凝器內(nèi)的氣液界面向冷凝器出口移動(dòng)，更多的工質(zhì)進(jìn)入補(bǔ)償器，所以補(bǔ)償器內(nèi)的液面隨著傳熱量增加而升高，如圖9所示。

280 K工作溫度以下的環(huán)路熱管的傳熱熱阻隨充裝量及傳熱量的變化如圖10所示?？梢钥闯觯嗤瑐鳠崃肯?，環(huán)路熱管的傳熱熱阻隨著充裝量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；而同一充裝量下傳熱熱阻隨著傳熱量的增加而減少。環(huán)路熱管在280 K工作溫度以下的最大傳熱量隨著充裝量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)充裝量為19.7 g時(shí)，環(huán)路熱管在各工況下的傳熱熱阻最小，280 K工作溫度下的傳熱量達(dá)到40W。

由于需要顧及在溫度較低區(qū)域的可視化研究條件，采用了壓力較低但不太適用于低溫區(qū)的丙烯工質(zhì)，另外在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中補(bǔ)償器未用多層隔熱組件包裹，造成該環(huán)路熱管受環(huán)境漏熱的影響較大，所以該環(huán)路熱管的傳熱熱阻較大。

圖9 充裝量為22.7 g時(shí)補(bǔ)償器內(nèi)液面高度的變化Fig.9 Variation of liquid level inside compensation chamber with a working fluid inventory of 22.7 g

圖10 280 K工作溫度以下的環(huán)路熱管傳熱熱阻Fig.10 Heat transfer thermal resistances of loop heat pipe for operating temperatures below 280K

3 結(jié) 論

本文通過(guò)采用石英補(bǔ)償器和法蘭連接結(jié)構(gòu)及高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙烯環(huán)路熱管補(bǔ)償器的可視化研究，重點(diǎn)研究了補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)隨充裝量和傳熱量的變化及充裝量對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響，觀察到了不同充裝量和傳熱量下補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)的狀態(tài)。通過(guò)分析補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的環(huán)路熱管傳熱性能，可得出以下結(jié)論：

1）工質(zhì)充裝量和環(huán)路熱管傳熱量能影響補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)的分布狀態(tài)。環(huán)路熱管補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)液面高度隨工質(zhì)充裝量增加而上升，隨著傳熱量增加而升高。工質(zhì)充裝量小于最優(yōu)量時(shí)，穩(wěn)定工作的環(huán)路熱管補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)液面高度低于蒸發(fā)器核心通道頂端，引流管外壁面能觀察到工質(zhì)的冷凝及流動(dòng)，工質(zhì)冷凝及流動(dòng)的速率隨傳熱量的增加而加快，蒸發(fā)器與補(bǔ)償器及引流管之間存在較強(qiáng)相變換熱。補(bǔ)償器和蒸發(fā)器核心通道內(nèi)工質(zhì)分布狀態(tài)能影響蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱量，這是充裝量影響環(huán)路熱管性能的重要原因。

2）相同傳熱量下的環(huán)路熱管傳熱熱阻隨著充裝量增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，280 K工作溫度以下的最大傳熱量隨著充裝量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3）實(shí)驗(yàn)樣機(jī)存在最佳充裝量19.7 g。在最佳充裝量下補(bǔ)償器內(nèi)工質(zhì)液面高度接近蒸發(fā)器核心通道頂端。實(shí)驗(yàn)環(huán)路熱管樣機(jī)在280 K以下的最大傳熱量為40W，對(duì)應(yīng)最優(yōu)傳熱熱阻為2K／W。