乙烷温区低温环路热管设计与实验

刘成志 董德平 杨 帆

(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

乙烷温区低温环路热管设计与实验

刘成志 董德平 杨 帆

(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

为了研究低温环路热管在乙烷温区的启动及运行特征，通过自行设计的样机进行了实验。实验表明，在0.7 W的驱动功率下，低温环路热管可顺利实现降温启动;运行时，可传递12 W的冷量，并且在9W时，传热热阻最小，为1.14 K/W。

低温环路热管 乙烷温区 设计 实验

1 引言

环路热管是一种高效的两相传热设备，具有传输能力大、距离远、空间布置更加灵活等特点。随着低温制冷机和深空探测技术的不断发展，低温环路热管作为热控设计中一种重要的设备，已经在美国开展的多个空间任务中成功地进行了飞行测试，结果证明了其在空间应用中的可行性与可靠性［1-2］。

由于使用场合的限制，低温环路热管(cryogenic loop heat pipe，CLHP)常用于小冷量传递，但对传热温差却有着较为苛刻的要求，因此在进行低温环路热管的设计时，希望其能在满足冷量传输的要求下，冷热两端的温差尽可能小。本文介绍一种自行研制的低温环路热管，通过实验测试其降温启动性能及冷量传输能力。实验证明，低温环路热管可传递12 W的冷量，传递9 W的冷量时，传热热阻最小为1.14 K/W。

2 低温环路热管的设计及测试系统

通常在低温环路热管中，会采用次蒸发器的设计来辅助其降温启动［3］，但在本设计的低温环路热管中，不使用次蒸发器，对冷凝器采用一种新的加工方法，使其能够起到次蒸发器的作用。

如图1所示为冷凝器的设计模型图。该冷凝器的设计方法为:使用精密机床在紫铜块内部刻出蛇形工质换热通道，由于该加工工艺受尺寸的限制很小，因此这种方法可以在一块较小的紫铜块表面加工出较长的工质流动通道，因此可以通过增加工质的流动通道的长度来提高冷凝器的冷凝能力。同时，在工质的流通通道上使用机加工的方式加工出简单的金属凸起。金属凸起的作用:(1)作为强化凝结措施，提高冷凝器的冷凝能力;(2)作为一种毛细结构，通过在冷凝器表面布置加热片驱动工质流向主蒸发器，起到次蒸发器的作用。基于这种方法，设计了一种新型的冷凝器，并测试了基于这种冷凝器的低温回路热管的降温启动和传热性能。

图1 冷凝器的设计模型图Fig.1 Design model of condenser

图2和图3分别为低温环路热管实物图和低温环路热管上测温点示意图，实验中采用Pt100的铂电阻测温，在蒸发器表面使用80 Ω的薄膜加热片来模拟热源，加热功率记为H1;在冷凝器靠近液体管线的位置表面布置25 Ω的薄膜加热片，用于驱动冷凝器内部的工质流向蒸发器，驱动加热功率记为H2。在测温铂电阻中，其中冷源表面的铂电阻记为TC1，冷凝器、液体管线、液池、蒸发器和气体管线上所粘贴铂电阻依次记为 TC2、TC3、TC4、TC5 和 TC6，位置如图3所示。

图2 低温环路热管实物图Fig.2 Prototype of cryogenic loop heat pipe

图3 低温环路热管测温点示意图Fig.3 Schematic diagram of Pt100 locations on cryogenic loop heat pipe

表1为低温环路热管各部分的参数，根据表中各部分参数计算出所需的充装工质量，低温环路热管设计工作温度在190 K，其中液体管线中充满液体，气体管线中充满气体，冷凝器内部按照50%液体，50%气体;蒸发器内部吸液芯100%充满液体，液池内部50%液体，50%气体。因此有:

式中:VEva、VCC、VLL、VVL、VCond分别为蒸发器、液池、液体管线、气体管线和冷凝器的体积，可根据表1中数据计算得到，ρl和ρv为乙烷工质液相和气相密度，m为所需的乙烷工质质量。

190 K 时，ρl=535.8 kg/m3，ρv=2.667 33 kg/m3［4］，由于ρv远小于ρl，所以计算时忽略后项，近似可得:

实验中采用质量流量计来监测工质流量，因此需将上述工质质量m换算成标准状态下(1×105Pa、25℃)的质量流量V(单位为标准升SL)，工质在标准状态下气相密度 ρ=1.238 5 kg/m3［4］:

表1 低温环路热管各部分的参数Table 1 Parameters of cryogenic loop heat pipe

整个实验在φ500 mm×800 mm的真空室中进行，真空系统的真空度优于10-3Pa，把对流换热的影响降到最低;另外，为减小真空系统辐射漏热对低温环路热管性能的影响，管体外表面覆盖多层隔热材料。实验过程中，使用液氮作为冷源，并辅以一定的控温措施。

3 实验结果与分析

实验测试了低温环路热管降温启动及冷量传输能力。图4为低温环路热管的降温曲线，实验中采用液氮作为冷源，因此刚开始时冷源和冷凝器温度急剧下降到100 K，通过控温，逐渐把冷源温度恢复并稳定在190 K左右。待冷源温度稳定后，在16:10，给冷凝器施加0.8 W的功率，液体管线温度开始下降，后又在16:35，增加冷凝器的加热功率至1.6 W，液体管线温度加速下降，待液体管线温度降至190 K并趋于稳定后，降低冷凝器加热功率至0.7 W，观察发现液池、蒸发器及气体管线温度依次下降至190 K左右，至17:40，低温环路热管各部件温度均降至设计要求的工作温区内，关闭冷凝器加热，降温结束，整个过程持续了约90分钟。

图4 低温环路热管的降温曲线Fig.4 Temperature decrease curve of cryogenic loop heat pipe

图5为低温环路热管的工作曲线，在18:13，在蒸发器上施加5 W的启动加热功率，工质在此功率的驱动下流动起来进入气体管线，引起气体管线温度降低，热管启动，待各部件温度稳定后降低加热功率至2 W，又在6.87 W、9 W、12 W三个加热功率下测试了热管性能，发现低温环路热管均能正常工作。

图6为低温环路热管的温差热阻曲线图，观察发现，热管在传递9 W冷量时，其传热热阻最小，为1.14 K/W。

图5 低温环路热管的工作曲线Fig.5 Working curve of cryogenic loop heat pipe

图6 低温环路热管的温差热阻曲线图Fig.6 Temperature difference and thermal resistance curve of cryogenic loop heat pipe

4 结论

介绍了一种以乙烷作为工质的低温环路热管，该低温环路热管不采用次蒸发器的设计，通过加热冷凝器驱动工质流动;通过在冷凝器上施加一定的加热功率，促进低温环路热管的降温启动，整个降温的时间约90分钟;实验证明，低温环路热管可传递12 W的冷量，在传递9 W冷量时，其传热热阻最小。

1 Ku J.Operation characteristics of loop heat pipes［C］.29th International Conference on Environmental System.Colorado，1999.

2 Kaya T，Ku J.Ground testing of loop heat pipes for spacecraft thermal control［C］.33rd Thermophysics Conference.Norfolk，1999.

3 Triem T Hoang，Tamara A.O’Connell，J Ku，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space-based IR sensor and detector cryocooling［J］.Proceedings of SPIE，2003，5172:86-96.

4 陈国邦，包 锐，黄永华.低温工程技术(数据卷)［M］.北京:化学工业出版社，2006.

Design and experimental investigations of ethane cryogenic loop heat pipe

Liu Chengzhi Dong Deping Yang Fan

(Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China)

In order to investigate the startup and working characteristics of the ethane cryogenic loop heat pipe，a self-designed prototype cryogenic loop heat pipe was made to carry out the relevant experiments.The experimental results show that the cryogenic loop heat pipe can accomplish the temperature decreasing process and startup under 0.7 W drive power，has the highest heat transfer capacity of 12 W in running and has the minimum thermal resistance of 1.14 K/W when running at 9 W.

cryogenic loop heat pipe;ethane;design;experiment

TB663

A

1000-6516(2011)06-0057-03

2011-10-14;

2011-11-30

刘成志，男，23岁，博士研究生。