多尺度复合毛细芯环路热管的传热特性

王野，纪献兵，郑晓欢，徐进良

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，多相流与传热北京市重点实验室，北京 102206）

引 言

随着集成化技术的快速发展，电子元件等高热通量器件的散热问题逐渐成为制约其行业发展的技术瓶颈。环路热管（loop heat pipe, LHP）作为一种高效的两相传热装置，由于具有传热效率高、传热温差小、可长距离传热等优点，受到了越来越多的关注。目前，环路热管在航空航天、电子冷却等领域得到了广泛的应用[1-3]。

环路热管的运行受诸多因素的影响。作为其中的核心部件，毛细芯的特性参数直接影响到LHP的传热性能。因此针对LHP的性能优化主要集中在对毛细芯的改进上。目前，已有多种结构和材料的毛细芯投入应用，如丝网[4-6]、泡沫金属[7]、聚乙烯[8]、陶瓷芯[9]、金属粉末烧结[10-13]等。然而上述毛细芯多数属于单一尺度结构，若孔径过大会导致毛细驱动力不足，孔径过小则会导致蒸汽溢出阻力过大，很难协调蒸汽溢出和液体吸入的矛盾关系。而多尺度毛细芯在同一表面上具有不同尺度的孔径，较小孔径用于液体吸入，较大孔径用于蒸汽溢出，在解决毛细芯对于孔径尺度的不同需求方面体现出极大的优势，正逐渐被应用到LHP中[14-16]。另外，为满足工质高效蒸发和抑制热泄漏对毛细芯热导的不同需求，复合毛细芯成为毛细芯发展的新趋势，其制作工艺有双金属烧结[17-18]和添加造孔剂[19]等。在LHP的实际应用中，除自身结构外，由于季节更替和工作环境的变化，LHP冷凝端所处的环境温度、放置角度等因素同样会影响其传热特性。目前，针对多尺度复合毛细芯的研究工作尚未系统展开，对LHP的优化机理仍在探索之中。

针对上述问题，本文制备了一种多尺度复合毛细芯环路热管，并在不同的加热功率、放置角度和冷却方式条件下，对其传热特性进行了测试。

1 实验系统与毛细芯的制备

1.1 实验系统

如图1所示，本文所用实验系统由环路热管、电加热系统和数据采集系统3部分组成。环路热管由蒸发腔、补偿腔、冷凝器、蒸汽管路和液体管路等部分组成。蒸发腔与补偿腔制成一体，直径分别为ϕ93 mm和ϕ13 mm。蒸发腔厚度为10 mm。所有管道均由ϕ8×0.5 mm的铜管制成，蒸汽管路和液体管路分别长300 mm和220 mm。

采用加热膜片作为模拟热源，输出功率由调压器和功率表共同控制，输出范围为0～200 W。加热面积为5 cm2。为减小接触热阻，在加热膜片和蒸发腔壁面之间涂有导热硅脂。

温度测量采用K型热电偶，共有13个测点。其中，4个测点Te,out、Tc,in、Tc,out、Tcc，如图1 (a)所示，分别用于测量蒸发腔出口，冷凝器入口，冷凝器出口和补偿腔的温度。为降低管壁热阻对温度测量的影响，如图1 (b)所示，Te,out和Tcc测点分别伸入蒸汽管路中心和补偿腔内部。其余9个测点用于测量蒸发腔壁面温度，如图1 (c)所示，其中，Tc为蒸发腔壁面中心的温度。数据采集所用仪器为Agilent34970A。

图1 环路热管系统图 Fig.1 Loop heat pipe for experiment

冷凝器的冷却方式有两种：①风冷方式，在室温下，采用一台5 W的风扇进行强制对流散热；②冰冷方式，将冷凝器放置于保持在0℃的冰水混合物中，用于模拟冷凝器所处环境温度接近0℃时的情况（如冬季等）。此外，LHP的放置角度θ有3种：θ=0°、90°和-90°。其中，0°代表LHP水平放置，蒸发腔和冷凝器位于同一高度；90°（-90°）代表LHP竖直放置，蒸发腔低于（高于）冷凝器。实验所用工质为蒸馏水，充液比（工质体积/LHP内部总体积）为40%。

1.2 多尺度复合毛细芯的制备

本文所制备的多尺度复合毛细芯共分为3层，结构如图2所示。主毛细芯呈沟槽状，次毛细芯和第三毛细芯呈平板状。3层毛细芯厚度均为2 mm。

图2 多尺度复合毛细芯结构 Fig.2 Structure of modulated composite porous wick

主毛细芯是工质的相变区域。为减小接触热阻，本文将其直接烧结在蒸发腔壁面上。原料采用88 μm的枝状铜粉，烧结成型后的主毛细芯孔隙率为47%，具有多尺度结构。其微观结构如图3所示。从图中可以看出，由于烧结的作用，铜粉颗粒（particle）之间不仅形成了有利于液体吸入的小孔（small pore），而且聚集成群(cluster)，形成了有利于蒸汽溢出的大孔（large pore），从而有效地满足了同一表面内蒸汽溢出与液体吸入对于孔径尺度的不同需求，达到强化传热的目的。

次毛细芯采用100 μm的球状铜粉，利用二次烧结技术，将其与主毛细芯烧结成一体。孔隙率为53%，具有单一尺度结构，孔隙均匀，不存在多尺度结构所具有的大的蒸汽溢出通道，因此可防止蒸汽向补偿腔扩散。工质发生相变后，蒸汽即沿着主 毛细芯的宏观槽道流出蒸发腔。

图3 主毛细芯SEM图 Fig.3 SEM image of primary wick

第三毛细芯采用具有高吸水性的隔热棉，将其贴附在次毛细芯上，利用自身较低的热导率以及与次毛细芯之间较大的接触热阻，起到降低热泄漏的作用。

综上，3层毛细芯分工明确，主毛细芯用于提供相变区域并强化传热，次毛细芯用于防止蒸汽向补偿腔扩散并提供额外的毛细动力，第三毛细芯用于阻热。三层毛细芯有机结合，提升了LHP的传热性能。

2 数据处理

根据环路热管的工作原理，为评价其传热性能，将各参数定义如下：

（1）热阻Rtotal为将冷凝器温度变化所造成的影响考虑入内，综合反映LHP与外界环境之间的散热能力，本文将热阻定义如下

式中，Tc为蒸发腔壁面中心温度；Tair为环境温度；Q为加热功率。文献[20-21]应用同样公式进行了热阻的计算。

（2）热泄漏αcc当LHP处于稳定状态，可忽略补偿腔和液体管路与环境之间的热交换，热泄漏αcc可用式(2)～式(5)[22]算出

式中，Qcc为从蒸发腔到补偿腔的热泄漏量；Qvap为由工质相变并携带至冷凝器中散失的热量；mf为工质的质量流量；cp和r分别为工质的比定压热容和汽化潜热；Gcc为毛细芯的热导；Tcc为补偿腔的温度；Tc,out为冷凝器的出口温度；TV为蒸发腔的饱和温度。

（3）均温性系数β 本文定义均温性系数β作为比较不同工况下蒸发腔壁面均温性的物理量

式中，max(Teva)为蒸发腔壁面上所有温度的最大值；Tavg为蒸发腔壁面的平均温度。

3 结果分析与讨论

3.1 启动特性

启动特性是衡量LHP性能的重要指标。图4表明LHP在θ=90°，风冷条件下的启动过程。当加热功率为20 W时（热通量q为4 W·cm-2），蒸发腔壁面中心温度Tc、蒸发腔出口温度Te,out、冷凝器入口温度Tc,in均呈现出骤升的现象，表明LHP已成功启动，并发现该LHP启动时间较短，启动后运行稳定，无大的温度波动。

图4 LHP的启动过程 Fig.4 Start-up process of LHP

3.2 蒸发腔壁面中心温度

蒸发腔壁面中心温度Tc是LHP系统中的最高温度，可用于表征LHP的传热性能。图5显示出放置角度θ=90°时，冷却方式对Tc的影响。可以发现冰冷方式的Tc始终小于风冷方式。当加热功率Q为200 W时（热通量q为40 W·cm-2），风冷方式的Tc为75℃，而冰冷方式仅为64℃。其原因在于，由于冷凝强度的提高，冷凝器中两相区域变短，过冷段加长，从而提高了回流液体的过冷度，补偿腔温度相对降低，其与蒸发腔之间的温差提高，饱 和压差随之提高，促使工质循环加快。因此，冰冷方式较风冷方式可以显著降低Tc，强化LHP传热 性能。

图5 θ=90°时冷却方式对Tc的影响 Fig.5 Effects of cooling condition on Tcwhen θ=90°

图6表明在冰冷方式下，放置角度θ对Tc的影响。可以看出，-90°的LHP Tc始终最高；当Q较小时，0°的LHP Tc最低；随着Q的提高，90°的LHP Tc逐渐成为最小值，相交点出现在Q=100 W附近（q为20 W·cm-2）。造成这种现象的原因在于，在初始阶段，由于Q较小，参与到循环过程中的工质较少，与0°的LHP相比，90°的LHP的多数液体工质聚集在蒸发腔、补偿腔以及蒸汽管路中，工质循环阻力较大，因此Tc相对较高；而随着Q增加，参与到循环过程中的工质逐渐增多，因液体聚集而产生的阻碍作用减小，同时，重力对于工质循环的辅助作用凸显出来，使得工质流动加快，蒸发高效进行。因此，当加热功率不同时，放置角度对Tc的影响有所不同。

图6 冰冷条件下放置角度对Tc的影响 Fig.6 Effects of inclination angle on Tcat ice cooling

3.3 热阻

热阻Rtotal是衡量LHP传热性能的重要参数，较小的热阻表明LHP具有较好的传热性能。图7表明在风冷条件下，放置角度θ对Rtotal的影响。可以看出，3种放置角度的Rtotal均随着Q的增加而降低。当Q较小时，0°的热阻最小；随着Q的增加，90°的热阻逐渐低于0°的热阻；而-90°的热阻始终最高。图8表明当θ=90°时，冷却方式对Rtotal的影响。可以发现，相比于风冷方式，冰冷方式可以降低热阻，Rtotal最低为0.19 K·W-1。

3.4 热泄漏

热泄漏是影响LHP运行的重要因素。热泄漏不仅与毛细芯的结构和材料有关，还与毛细芯中工质的分布有关，毛细芯热导Gcc随其润湿程度的增加 而减小[22]。

图7 风冷条件下放置角度对Rtotal的影响 Fig.7 Effects of θon Rtotalat air cooling

图8 θ=90°时冷却方式对Rtotal的影响 Fig.8 Effects of cooling condition on Rtotalwhen θ=90°

图9 冰冷条件下放置角度对热泄漏的影响 Fig.9 Effects of θ on heat leak at ice cooling

在本文中，温度的不确定度为0.3℃。由图9和图10可以发现，应用多尺度复合毛细芯可以有效降低热泄漏，其最大值不超过0.05。经计算，热泄漏的相对不确定度为3.6%，因误差造成的最大偏移为0.0018。因此，放置角度和冷却方式对热泄漏有显著影响。

图9表明在冰冷方式下，放置角度θ对热泄漏的影响。通过对比不同角度下的热泄漏，发现θ=90°的LHP的热泄漏始终最小。其原因在于90°的LHP蒸发腔低于冷凝器，液体集中在蒸发腔和补偿腔中，工质对毛细芯的润湿效果较好，因而热导Gcc较小。随着加热功率Q的增加，不同角度的LHP的热泄漏表现出不同的变化趋势。对于0°和-90°的LHP，其热泄漏随功率的增加而增加，当Q超过40 W后（q为8 W·cm-2），热泄漏基本趋于稳定；而90°的LHP热泄漏随Q的增加呈现出先升后降的趋势，最大值出现在Q=100 W处（q为20 W·cm-2）。这是因为当Q较小时，工质的相变面会随着Q的增加逐渐深入到毛细芯内部，导致毛细芯润湿程度下降，3种角度的Gcc均随之增加。而当加热功率进一步增大，0°和-90°的毛细芯中工质分布基本趋于稳定，热泄漏随Q的变化较小。但对于90°的LHP，加热功率的增加使其蒸汽管路中滞留的液体减少，工质回流加快，毛细芯再一次被较好地润湿；同时，热量可以快速经由工质携带至冷凝器中释放，从而热泄漏呈现出下降的趋势。另外，由上述分析，并综合图6中随着加热功率的增加，90°的LHP Tc逐渐低于0°的LHP的现象，可以发现热泄漏的降低有助于提高环路热管传热性能。

图10表明当θ=-90°时，冷却方式对热泄漏的影响。可以发现，冰冷方式的热泄漏始终高于风冷方式。其原因在于，较强的冷凝作用导致回流液体的过冷度过高，蒸发腔和补偿腔之间的温度差（TV-Tcc）过大，由式(3)可知，热泄漏随之增加。因此，提高冷凝强度会导致热泄漏的增加。

3.5 均温性

图10 θ=-90°时冷却方式对热泄漏的影响 Fig.10 Effects of cooling condition on heat leak at θ=-90°

图11 均温性系数β随加热功率的变化 Fig.11 β variation with heating power

蒸发腔壁面的均温性对于LHP的应用具有实际意义，较差的均温性可能会影响发热器件的安全 使用。图11表明蒸发腔壁面均温性系数β随加热功率Q的变化。可以发现，随着Q的增加，β逐渐增大，即蒸发腔壁面温度的均匀性逐渐变差。此外，在相同角度下，冰冷方式的β小于风冷方式。这可能是由于冰冷方式的传热性能较好，蒸发腔内部的气体积存少，液体均匀地分布在相变区域，因此其蒸发吸热较为均匀，从而使得冰冷方式的均温性好于风冷方式。

通过对比不同角度的LHP的β，可以发现-90°的LHP均温性最好，0°次之，90°的均温性较差。其原因可能是由于毛细芯中的两相分布状况对其热导影响较大，当蒸发腔与冷凝器的相对高度改变时，由于重力的作用，液体在毛细芯中存储的不均匀性会随着放置角度θ的增加而增大，使得90°的LHP的均温性差于其他两种角度。

4 结 论

本文设计了一种多尺度复合毛细芯环路热管，并在不同的加热功率、放置角度和冷却方式的条件下对其进行了传热性能的测试，主要结论如下：

（1）设计了一种多尺度复合毛细芯环路热管，有效解决了在蒸发腔不同区域对于毛细芯孔径尺度和热导率的不同需求，具有较好的传热性能，在200 W加热功率下（q为40 W·cm-2），蒸发腔壁面中心温度Tc最低仅为64℃。

（2）与风冷方式相比，冰冷方式更能强化LHP的传热性能，降低Tc和热阻，热阻最低为0.19 K·W-1，同时冰冷方式也有利于均温性的改善。

（3）当加热功率Q较小时，放置角度为0°的LHP Tc和热阻最低；随着Q的增加，90°的LHP Tc和热阻成为最低值。

（4）多尺度复合毛细芯的应用有效降低了热泄漏。随着Q的增加，放置角度不同的LHP热泄漏变化趋势不同。

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