HCPV用平板式环路热管实验研究

朱会元，张先锋，刘 泉，刘明侯

(1.中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027;2.中电集团第三十八研究所工程技术部，安徽合肥 230088)

HCPV用平板式环路热管实验研究

朱会元1，张先锋2，刘 泉1，刘明侯1

(1.中国科学技术大学热科学和能源工程系，安徽合肥 230027;2.中电集团第三十八研究所工程技术部，安徽合肥 230088)

设计了一种用于高倍聚光光伏太阳能电池(HCPV)散热的混合烧结芯平板式环路热管，并实验研究了负荷、倾角、冷凝器参数等对热管启动和运行性能的影响.实验表明，该热管基本可满足HCPV负荷及安装角度要求，热面温度100 ℃内的最大负荷可达320 W(热流密度为40 W/cm2).蒸发器和储液器、蒸发器和冷凝器相对位置对热管性能影响很大.当储液器在蒸发器下方时启动更容易；冷凝器在蒸发器上方时低负荷启动温度下降.可通过减少冷凝器内冷却水流量，提升热管反重力运行的启动能力.

高倍聚光光伏太阳能电池(HCPV);平板式环路热管(FLHP);变负荷启动运行;反重力;冷凝器

0 引言

高倍聚光光伏太阳能电池(high concentration photovoltaic，HCPV)表面的热流密度可达35 W/cm2，而电池表面温度每升高1 ℃输出电量减小0.2%～0.5%[1].由于菲涅尔透镜或抛物面反射镜的聚光作用，HCPV因表面温度不均匀而减短使用寿命.因此，为HCPV芯片配置良好的散热均温设备，对提高芯片效率、延长寿命有非常重要的作用.

与槽道和喷雾冷却相比，热管重量轻、均温性能突出.Akbarzadeh等[2]、Anderson等[3]均尝试将热管用于HCPV换热，但普通重力热管受到换热能力、空间、角度的多重制约.平板式环路热管(flat loop heat pipe，FLHP)体积小、冷凝管路布置灵活，将能够有效解决上述问题.鲁祥友[4]制作热面70*55 mm2的FLHP，冷凝管线采用自然风冷时热面温度100 ℃内的散热能力为100 W(热流密度为2.60 W/cm2).张先锋[5]制作热面100×36.5 mm2的FLHP，水套冷凝的最大散热能力是130 W(3.56 W/cm2)，反重力效果良好但负荷不能满足HCPV要求.

HCPV的运行条件复杂多变，而角度及冷凝段参数都会对热管运行产生重要影响.Cheung等[6]认为低于最低启动负荷都不能让热管启动.Singh等[7]的实验表明低负荷启动时间长，且蒸发器和冷凝器之间有较大温差.张先锋实验中的最低启动负荷为20 W.盖东兴等[8]从热容的角度指出，从低负荷到高负荷和从高负荷到低负荷的变化过程在温度波动情况上是不对称的.Pastukhov等[9]、 Baumann等[10]、张伟宝[11]对反重力高度、冷凝器位置展开研究.张先锋等[12]指出当冷却水温度上升时，临界热负荷会下降.张红星等[13]指出小负荷时可以忽略热沉温度的影响，对高负荷情况则没有谈及.Wang等[14]研究了冷凝器位置对启动时间、启动现象及运行温度的影响，提出高热流情况时可以通过延长冷凝器长度的方式来提高冷却能力.

为满足聚光光伏太阳能电池散热要求，本文提出采用不均匀铜粉制作FLHP烧结芯，通过强化蒸发与毛细抽吸能力，提高FLHP散热能力和低负荷启动特性，并系统研究负荷、倾角、冷凝器参数对该热管启动和运行特性的影响，全面分析了该FLHP用于高倍聚光光伏太阳能电池均温散热的可行性，并为热管启动运行中出现的问题提出解决方法.

1 FLHP结构及实验系统

图1为FLHP的结构示意图.该系统由储液器、蒸发器、蒸汽管线、冷凝管线及液体管线等组成.蒸发器与储液器一体化设计，便于从储液器补充工质；蒸发器和储液器间多孔部分用于阻碍蒸汽逆向流动.蒸发器内烧结多孔毛细芯作为环路热管的动量源，蒸发器内壁制作圆形沟槽作为蒸汽通道.蒸发器、储液器和连接管线的材料均为铜.蒸发器厚度为8 mm，长度为55 mm，宽度为20 mm.混合吸液芯用不同目数的铜粉烧结而成.在蒸发端(箭头1所指位置)用120目左右的铜粉烧结，与储液器接触段(箭头2所指位置)用200目左右的铜粉烧结.这样的结构在蒸发段增大了孔隙率，使得蒸发更加容易；与储液器接触段减小了孔隙率，提高了从储液器到蒸发器毛细芯的毛细抽吸能力.蒸发芯表面平均分布了9根长40 mm、直径1.2 mm的圆形蒸汽槽道.管线总长度为420 mm，内径外径比为2.4 mm/3 mm.热管内工质为水，充液率为55%左右.

图1 FLHP结构示意图

图2 实验系统示意图

图2为实验系统示意图.采用水套式冷凝管线设计.水冷套长180 mm，用转子流量计记录冷凝器内冷却水流量，用恒温水槽提供恒定温度的冷却水.采用电加热模块模拟热源，热面面积为20×40 mm2，热面刻1 mm细槽埋放热电偶，热面和热管接触处涂抹导热胶以减少接触热阻.布置7个OMEGA公司丝径0.25 mm的标准T型热电偶，其测量精度为±0.5 ℃，最大测量误差为1.8%，具体位置如图2所示.由于实际测量热管工质温度存在困难，热电偶均布置在热管部件的外壁上.使用安捷伦数据采集仪记录温度变化，记录保存数据的时间间隔为3 s.根据热电偶和加热模块的测试精度计算，系统热阻的最大测量误差为2.1%.热管包裹厚度10 mm、导热系数0.012～0.016 W·m-1·K-1的二氧化硅气凝胶毡保温层来减少跟环境的换热.实验过程中的环境温度为23 ℃±1 ℃.

2 运行特性研究

研究运行特性时，热管水平放置.冷凝器内冷却水流量为40 L/h，水温15 ℃.热面温度100 ℃±2 ℃内，负荷从 20 W开始每次增加20 W直到280 W，此时热流密度为35 W/cm2.降低热负荷时则每次减少40 W.

图3 不同功率下FLHP的运行特性

图4 不同负荷下FLHP的运行温度

FLHP的运行温度随热负荷增大不断上升(图3，4)，功率改变后热管的响应时间约为3 min.热管在280 W(35 W/cm2)时的稳定运行温度约为94 ℃.功率超过160 W时，功率变大和变小过程中的运行温度几乎一致，而功率小于160 W时，升负荷的运行温度略高于降负荷过程.冷凝器进口温度在低负荷运行时有少许波动，在大负荷运行时趋于平稳.冷凝器出口和储液器进口的温度波动最大.其原因可能是气液交界面随着热流和冷凝情况发生改变：热管低负荷运行时，气液交界面在冷凝器入口和蒸发器之间徘徊，冷凝器出口处为过冷液体；负荷增大后，气液交界面冲到冷凝器出口，引起冷凝器出口温度波动；待气液交界面完全冲出冷凝器出口后，储液器进口温度接近冷凝器出口温度，此时热管达到其冷凝极限，需提高冷凝器冷凝能力.

热阻是衡量热管热输运能力的重要因素.R=(Te-Tc)/Q，其中Q为输入功率.对于系统热阻，Tc是冷凝器进出口冷却水温度平均值.由于系统热阻受冷凝器中换热方式及冷却水温度的影响巨大，并且总负荷不大时Tc仅略高于冷却水温度，所以考虑系统热阻的意义并不大.在实验中不考察系统热阻而是关注热管热阻.对于热管热阻，Te为热面温度，Tc为热管进出冷凝器位置的平均温度，即Tc=(T4+T5)/2.

实验结果表明，热管热阻(图5)随负荷增大急剧下降.60 W时热阻为0.35 ℃/W，180 W时降到0.13 ℃/W，260 W后热阻近似0.1 ℃/W.进一步提升冷凝装置的性能将可以实现更好的热输运能力.

图5 不同负荷下FLHP的热阻

3 启动负荷研究

热管在低功率启动会遇到启动极限，所以考察本热管在5 W(0.625 W/cm2)，10 W(1.25 W/cm2)和20 W(2.5 W/cm2)时的启动特性，与80 W(10 W/cm2)时的启动特性作对比.实验过程中热管水平放置，冷凝器内冷却水流量为40 L/h，水温为15 ℃.

图6为热管不同功率下的启动情况及其对应的过热度.热管启动至稳定运行状态要求毛细芯的两侧要有足够的压差克服回路压力损失，根据Clausius-Clapeyon方程，该压差对应了毛细芯两侧的温度差，定义该温差为过热度.由于无法直接获得过热度，取热管热面的温度T1和储液器下表面温度T7之差近似表示.

对于水平放置的热管，实验结果表明当功率为5 W便能启动.经过600 s后，过热度有一个尖锐波动且冷凝器进口温度突然上升，说明有蒸汽进入了冷凝器.少量蒸汽经过冷凝器后变成少量冷凝液，不足以抵消蒸发器向储液器的漏热.漏热导致了压差的减小，蒸汽退回蒸发腔内.随着蒸发器温度的升高，工质蒸发量增加，蒸汽槽道内压力增大，蒸汽再次涌入冷凝器.由于低热流不足以维持蒸汽持续稳定地进入冷凝器，蒸汽反复从蒸发器冲出和向蒸发器退缩.3 000 s后热管在40 ℃、振幅4 ℃波动下稳定运行.冷凝器进出口和储液器进口温度波动的振幅在10 ℃左右.启动功率变成10 W后，蒸发器内蒸发量增加、压力增大，更多蒸汽涌出，冷凝器进出口温度趋于平稳.功率为10 W和20 W启动时的过热度变化情况相似，稳定运行过热度均在3 ℃左右.10 W的启动时间约为1 800 s，20 W启动时间约缩短了一半.20 W的气液交界面在冷凝器内，蒸汽被充分冷却，回流液有足够的过冷消除漏热.功率80 W、热流密度10 W/cm2时，热管在300 s迅速启动，稳定运行的过热度在10 ℃左右.工质流量增加后少量高速蒸汽冲出冷凝器，冷凝器出口和储液器进口温度均出现5 ℃左右的波动.

4 反重力研究

环路热管运行过程中毛细芯两侧的压差需克服的总压损如下：

ΔP=ΔPw+ΔPv+ΔPc+ΔPv l+ΔPcl+ΔPll+ΔPg

(1)

式中，ΔPw为储液器中压损；ΔPv为蒸发器蒸汽槽道压损；ΔPc为蒸发芯压损；ΔPvl为蒸汽管线压损；ΔPcl为在冷凝管线的压损；ΔPll为液体管线压力损；ΔPg为由重力压损.

图7为热管反重力运行的两种情况.方案1如图7(a)所示，热管和冷凝器均与水平面呈一定角度，这将改变热管内储液器和蒸发器间的气液分布，并对整个外环路产生影响.由于蒸汽管线中蒸汽速度非常快，可以忽略蒸汽管线的影响.回流冷凝液速度缓慢，需同时克服冷凝管路和液体回流管路的重力高度.方案2如图7(b)所示，热管水平，改变与冷凝器的相对高度，此时热管内蒸发器和储液器间的气液分布不发生改变，冷凝液需克服液体管线的重力影响.

图6 不同热负荷时热管启动情况(左)及对应过热度(右)

图7 热管反重力运行示意图

图8 热管的启动运行状况(方案1)

对于方案1，实验中分别测试热管在-90°，-45°，45°，90°倾角时不同功率的启动和运行状况(图8).测试过程中冷凝器内冷却水流量为40 L/h，水温为15 ℃.实验发现热管在大于0°时容易启动和稳定运行，-45°和-90°时最低启动功率为60 W(5 W/cm2).对比-90°，-45°，45°，90° 4个位置60 W启动和运行的情形可见，45°，90°的启动过程非常平稳，-45°和-90°的启动过程各处温度大幅波动.角度越小启动难度越大，运行温度越高.大于0°(蒸发器在上而储液器在下)时，由于重力作用储液器内的液体质量增加，增加了储液器热容，有效减小了蒸发器向储液器的漏热，从而更易于启动.同时冷凝液由于重力作用更易回流.反之，小于0°时，冷凝液要克服重力压损回流，启动困难，需要更大的过热度.

图9 热管的启动运行状况(方案2)

对于如图7(b)的方案2，分别测试热管在-45°和45°倾角时不同功率的启动和运行状况(图9).测试过程中冷凝器内冷却水流量为40 L/h，水温为15 ℃.从图9中可以发现，20 W启动，45°倾角的运行温度是38 ℃左右；-45°倾角的运行温度超过了50 ℃，且有2 ℃左右的波动，冷凝器出口有超过10 ℃波动.40 W启动时，-45°倾角的运行温度在46 ℃左右，达到稳定运行的时间为480 s；45°倾角的运行温度在40 ℃左右，达到稳定运行的时间为350 s.60 W启动，两者的运行温差5 ℃内.冷凝器位于蒸发器水平高度上方比位于下方启动时间更短，启动和运行温度更低，原因是忽略对蒸汽管线高速蒸汽的影响，冷凝器在上方时冷凝液在重力作用下更容易回流.比较图8和图9发现，随着功率增大，这种冷凝器和蒸发器相对位置带来的启动和运行差别将减小.

5 冷凝器参数研究

图10 方案1、-45°变流量热管的启动情况

图11 冷却水温度15 ℃和5 ℃时的启动运行情况

改变冷却水温度和流速会影响冷凝器的换热能力，从而改变冷凝管线内工质的流动状态.图10给出了热管在按方案1摆放、-45°倾角、负荷40 W时的启动情况.实验时，冷却水温度15 ℃不变，流量分别为40 L/h和10 L/h.经测试流量减小后最低启动负荷从60 W降到40 W.流量为40 L/h时，温度升高到80 ℃仍没有启动现象，并且有少量蒸汽逆向流出储液器，流量减小到10 L/h后240 s 50 ℃左右热管启动.-45°时热管内的冷凝液不能克服冷凝器和液体管道的重力压损，此时适当减少冷凝器中冷却水流量，降低冷凝能力，使未能完全冷却的高速蒸汽携带冷凝液回流到储液器中抵消热漏，从而发生启动.

热管在大负荷下运行时冷凝极限将成为其制约.热管水平放置，图11中左图和右图分别是负荷280 W时，水温在15 ℃和5 ℃时的启动运行工况.水温降低后，运行温度从94 ℃降到89 ℃.

图12参考图11中的工况，即水温5 ℃、流量40 L/h， 探索热面温度在100 ℃内时的最大负荷情况.实验结果表明，最大负荷可达320 W，此时的热流密度为40 W/cm2.冷凝器器内换热能力制约了热管使用负荷的进一步提升.目前实验使用的热管冷凝管线为光管，如果在管线上旋转翅片，能够进一步增强换热，其关键是找到易于制造且价格低廉的工艺.加长冷凝管线增加换热面积的同时造成流动损失，所以其影响还有待研究.

图12 冷却水温度5 ℃时热面100 ℃内的最大负荷

6 结论

为满足HCPV的散热需求，本文设计了混合烧结芯平板式环路热管，并系统研究了负荷、倾角、冷凝器参数对该热管启动运行的影响.研究结果表明：

(Ⅰ) 热管水平放置时，功率从10 W到280 W之间能稳定运行，负荷调整后从响应到稳定的时间不超过3 min.负荷280 W、热流密度35 W/cm2时的热阻约为0.1 ℃/W，热输运性能良好.最低启动负荷为5 W，最低稳定运行负荷为10 W，混合烧结芯设计使得热管低负荷下的启动性能良好.

(Ⅱ) 蒸发器和储液器相对位置发生改变带来的影响最大，冷凝器相对高度发生改变时影响较小.蒸发器位置在储液器下方时，压损最大，启动最慢，稳定运行温度最高；冷凝器相对位置在蒸发器和储液器上方时，启动温度最低，但随着负荷增大，冷凝器相对位置对热管运行的影响逐渐减小.

(Ⅲ) 低负荷启动时，通过减少冷凝器内冷却水流量，可提升热管反重力运行的启动能力.但为了防止蒸发器烧干现象提前到来，启动后遇到大负荷情况时，需增加冷凝器内冷却水流量.

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Experimental study on flat loop heat pipes used in HCPV systems

ZHU Huiyuan1, ZHANG Xianfeng2, LIU Quan1, LIU Minghou1

(1.Department of Thermal Science and Energy Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;2.China Electronics Technology Group Corporation No. 38 Research Institute, Hefei 230088, China)

A flat loop heat pipe (FLHP) with a mixed sintered wick was designed for cooling off high concentration photovoltaic (HCPV) solar cells. The effect of heat load, inclination angle and condenser parameters on the start-up and operating performance of the heat pipe was experimentally studied. It was found that the heat pipe can basically meet the needs of HCPV cooling both in heat load and installation angle requirements. The maximum heat load is up to 320 W (40 W/cm2) when the temperature of the heating surface is under 100 ℃. Relative positions between evaporator and accumulator, evaporator and condenser have important influences on the start-up and operating performance of the heat pipe. The pipe may start more easily when the compensation chamber is under the evaporator. The start-up temperature of low heat load drops when the condenser is placed above the evaporator. The capability of anti-gravity start-up performance of the heat pipe can be improved by reducing the flow rate of cooling water in the condenser.

high concentration photovoltaic (HCPV); flat loop heat pipe (FLHP); start-up and operating performance with different heat loads; anti-gravity capability; condenser

0253-2778(2013)05-0393-09

TK172.4

A

10.3969/j.issn.0253-2778.2013.05.007

Zhu Huiyuan, Zhang Xianfeng, Liu Quan, et al. Experimental study on flat loop heat pipes used in HCPV systems[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2013,43(5):393-401.

朱会元，张先锋，刘泉，等. HCPV用平板式环路热管实验研究[J]. 中国科学技术大学学报，2013,43(5):393-401.

2013-01-15；

2013-03-26

国家自然科学基金(11172296)资助.

朱会元，女，1989年生，硕士. 研究方向：强化传热. E-mail: huiyuanz@mail.ustc.edu.cn

刘明侯，博士/教授. E-mail: mhliu@ustc.edu.cn