充注量对水冷式环路热管性能影响的实验研究

赵同乐，吴静怡，张晋晋，蔡爱峰

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

充注量对水冷式环路热管性能影响的实验研究

赵同乐*，吴静怡，张晋晋，蔡爱峰

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

工质充注量对环路热管系统的性能有着重要的影响。本文分析了充注量对特殊构造环路热管换热性能以及控温性的影响。在热源功率分别为20 W和140 W、冷却水温为30 ℃的工况下，本文通过测量环路热管（内腔容积为83 cm3）蒸发器表面温度，对其在不同工质充注量（10 ml～80 ml）下的温度变化进行了讨论。对比实验结果，文章得到了环路热管的最佳工质充注量。文章最后计算出不同充注量下环路热管的热阻，从而验证了实验结果。此优化结果为环路热管的后续研究奠定了基础。

环路热管；充注量；控温性；优化结果

0 引言

随着科学技术的发展，航天、军事以及民用的电子设备功率不断提高，功率的提高导致电子设备的工作温度不断上升，而电子设备的高温工作环境会导致工作效率的降低，甚至影响其工作寿命。人们很早就开始关注如何提高电子设备的散热能力，环路热管便应运而生。环路热管因其形式多样、布置灵活、结构紧凑、占地空间小，适合各种空间环境。本文研究了工质的充注量对于特殊结构的环路热管的影响，为后续的研究奠定基础。

在过去的几十年中，国内外许多研究者从不同方面对环路热管进行了大量的研究。墨尔本皇家理工大学的SINGH[1]对大功率台式机和笔记本电脑的冷却系统进行了研究。通过对比单相冷却系统与两相冷却系统的换热性能，得出两相冷却系统（LHP系统）在处理台式机及笔记本电脑微处理器等狭小空间散热方面不失为一种高效的热解决方案。

LI等[2]对具有正方形面蒸发器的高性能紧凑型铜水环路热管做了实验研究，其蒸发器结构长30 mm、宽30 mm、高15 mm，连接管内径为5 mm。在不同的热负荷情况下对LHP系统的启动情况做了探究分析。此外，还开发出了描述毛细芯内部后退半月板半径的表达式，来平衡LHP系统随着热负荷的增大而增大的压降。

ROGER等[3]和LI等[4]研究了双孔形毛细芯在平板型LHP系统中的发展应用。文章详细分析了两种不同方法（冷压烧结和散粉烧结）所制造毛细芯组装的LHP系统的性能。结果表明，毛细芯的最佳烧结温度为700 ℃，使用冷压烧结，造孔剂的体积分数为30%，毛细芯的孔隙率可达到77.40%。

盖东兴[5]研制了烧结镍毛细芯构成的不锈钢蒸发器，选择氨作为工质，采用水冷式冷凝器；同时也研究了在充灌量分别为50%、60%和70%时的环路热管运行特性；全面分析了LHP系统工质充灌量对平板LHP系统的影响。

VERSHININ和MAYDANIK[6]在小型回路热管的实验操作中观察到运行温度的脉动变化。变化幅度超过几十度的强烈脉动可能源于环路热管内部缺乏工质，冷凝器的过热或蒸汽泡沫周期性进入补偿腔并产生气化现象等都有可能提高其温度和体积。

YU等[7]针对制冷和空调领域的热回收应用研发了一种铜水毛细管循环毛细泵。一系列的实验结果表明，不同热负荷作用于蒸发器时，毛细泵系统均表现出了良好可靠的启动工作过程和稳态工作过程。实验还表明，如果系统工质充注量和热负荷量合理增加时，蒸发器的传热性将可以得到改善。毛细泵的最优工质充注率在70%到76%。

戴国民和杜垲[8]实验验证了制冷剂充注量和空调器毛细管长度对制冷系统性能的影响，根据相应的实验结果推出了KF-25W分体空调器毛细管长度和充注量之间的最佳匹配关系，该方法对后续的实验具有指导意义。

贾庆贤和赵夫峰[9]采用4 mm管换热器对分体机进行充注R410A、R290性能相关的实验。实验最后得出4 mm管换热器不仅可以明显降低制冷剂充注量，也可以降低换热器体积和成本。

王海峰等[10]设计了一种新型多功能空调热水器装置以及双节流储液器。通过切换运行模式，系统内制冷剂充注量可以自主调节，从而保证系统的稳定高效运行。采用实验方法得出制冷剂的最佳充注量以及影响系统性能的主要因素。

本文将通过测量不同充注量下环路热管蒸发器的壁面温度，观察其温度变化趋势；并通过不同充注量下环路热管启动和稳定过程的情况，分析其控温性的特点。

1 环路热管工作原理与实验装置

1.1 环路热管的工作原理

图1所示为环路热管的一般结构示意图，主要分为蒸发器、冷凝器、气线和液线4部分，其中蒸发器包括储液腔、毛细芯和蒸汽槽道。在环路热管工作过程中，工质在蒸发器蒸汽槽道处受热汽化，沿气线进入冷凝器处冷凝换热，冷凝后的工质沿液线回到蒸发器中的储液腔，完成一个工作循环[11]。

环路热管的工作过程可以用P-T图来表示，具体如图2[12]所示。

图1 环路热管的一般结构示意图

图2 环路热管工作时的P-T图

图2中，点1代表毛细芯处的工质受热蒸发时所对应的温度和压力，1-2过程为蒸汽沿槽道进入气线的过程，该过程蒸汽温度略有提高，压力下降。2-3为工质沿气线流动过程，可以近似看作等温过程。3-4为蒸汽进入冷凝器时的冷凝过程，在点4处开始凝结，4-5为工质在冷凝器中的过冷过程，在冷凝器中压降几乎为0。5-6为工质沿液线的流动过程，该过程可看作一个等温过程。6-7为储液腔中的加热过程，压力保持不变，7-8为工质在毛细芯中的流动，工质受热升温，汽化膨胀压力增大。

整个过程中，环路热管各处均存在压降，而只有当毛细芯提供的毛细压大于总压降时，环路热管系统才能正常运行。即：

式中：

(ΔPcap)max——毛细芯提供的最大毛细压，Pa；

ΔPv——蒸汽流动的压力损耗，Pa；

ΔPl——液体工质流动的压力损耗，Pa；

ΔPgr——由重力场引起的液体静压力损失，Pa。

毛细芯最大毛细压可以由Young-Laplace方程[13]得出：

式中：

σl——液态工质的表面张力系数；

rme——多孔结构的平均有效孔隙半径[14]，m。

1.2 环路热管的实验装置

实验设计的特殊结构环路热管是针对大功率电子元件的散热装置，蒸发器结构参考芯片的位置和尺寸，设计为长118 mm、宽75 mm、高23 mm，其中蒸发腔的尺寸为55 mm×55 mm，连接管设计为外径7 mm，内径5 mm。实验使用的毛细芯由镍粉和碳酸钠按3︰1的体积比例混合烧结而成，最后置于蒸发腔内。冷凝器由于电子元件体积的限制，故采用水冷式结构，冷凝水套长度为200 mm，外径为20 mm，冷却方式为逆向对流换热。

实验使用的环路热管由铝材制成；选择铝材是因为铝的传热性能良好、质量轻，且便于携带和安装。工质选择水，因为水具有很高的汽化潜热（2,258.4 kJ/kg）、容易获取、成本低廉等诸多优点[15]。水作为冷却工质的另一优势是，当环路热管内部高度真空时，可以明显降低水的沸点，提高换热能力。而且铝和水长时间运行工作不会产生化学反应，安全可靠。具体实物如图3所示。

图3 实验系统实物图

实验采用注射器为环路热管充注工质。注射器可以精确地控制添加工质的量；由于环路热管内腔总体积为83 cm3，故实验充注量的范围选择为(10～80) ml。实验装置及温度测点示意图如图4所示。

实验过程中，稳压器为热源提供电压，加热铜块为蒸发器壁面提供20 W或140 W的热量。恒温槽为冷凝器提供30 ℃的冷却水，测温精度为0.5 ℃的热电偶布置在热管8个位置点，分别位于蒸发器与热源接触面、蒸发器出口、冷凝器进口、冷凝器出口、蒸发器入口等位置，另一端均连接到GL800数据采集仪进行数据采集。

图4 实验装置及温度测点示意图

2 环路热管的实验分析

环路热管实验台搭建好以后，便可以开始在不同充注量下的实验数据采集和分析工作。

2.1 实验步骤

实验步骤如下：

1） 将热电偶布置在环路热管的相应位置处，环路热管用隔热材料包好，将环路热管和恒温槽之间的冷凝水管连接好，开启循环并保持水温为30 ℃；

2） 用注射器控制加入工质的量，分别为10 ml、20 ml、30 ml、40 ml、50 ml、60 ml、70 ml和80 ml注入工质后关紧阀门，开启功率至20 W，观察并记录蒸发器温度变化情况；

3） 保持其他条件不变，开启功率至140 W，重复实验；

4） 处理数据，分析不同充注量下的蒸发器壁面温度变化情况，得出结论。

2.2 实验结果

2.2.1 不同充注量下的环路热管蒸发器的温度变化情况

整理数据，对热源功率分别为20 W和140 W，冷却水温度30 ℃，充注量分别取10 ml、20 ml、30 ml、40 ml、50 ml、60 ml、70 ml和80 ml时环路热管蒸发器壁面温度变化情况进行分析。具体变化情况如图5和图6所示。

从图5中可以看出，当热源功率为20 W时，最上面5条曲线依次为环路热管的充注量从10 ml到50 ml的蒸发器温度变化曲线；在低充注量（小于50 ml）的情况下，随着充注量的增加，其蒸发器温度升高的趋势逐渐平缓，但其温度区分度不大。而当充注量达到60 ml时，其温度升高速率明显较小，也很快达到稳定状态。继续增加充注量，当充注量达到70 ml以上时，随着时间的推移，环路热管蒸发器壁面温度升高速率又开始明显增大。

从图6中可以看出，当热源功率为140 W、充注量为10 ml时，环路热管会出现“干烧”现象。当充注量小于50 ml时，环路热管在稳定运行后都保持在较高的温度水平，且各温度曲线区分度不大。当充注量为60 ml时，环路热管蒸发器的温度最低，控制在70 ℃以下。当充注量大于60 ml时，环路热管蒸发器的温度较60 ml时有所上升。

图5 热源功率20 W时不同充注量对应蒸发器温度的变化曲线

图6 热源功率140 W时不同充注量对应蒸发器温度的变化曲线

当环路热管充注量小于50 ml时，由于充注量过小导致环路热管不能发挥全部效用；因此，各温度曲线的区分度不大（除了热源功率140 W时10 ml工质的情况），且蒸发器的温度都较高，系统控温性较差。当充注量达到60 ml时，环路热管可以快速启动并保持良好的控温性。当充注量再增大时，过多的工质占据了环路热管大部分空间，系统运行阻力变大，反而会使环路热管的启动过程变慢且控温性变差。

当热源功率分别为20 W和140 W时，将不同充注量所对应的蒸发器壁面最高温度表示在图7中。从图7中可以看出，当充注量为60 ml时，其蒸发器稳定工作时的最高温度值最小，即60 ml为环路热管的最佳充注量。

图7 热源功率为20 W和140 W时蒸发器稳定时达到的最高温度与充注量之间的关系

2.2.2 实验结果的热阻分析

环路热管的温控性能可以由蒸发器稳定时所达到的最高温度及环路热管的热阻来表示。在相同的热源功率和冷凝端冷却条件下，蒸发器所达到的最高温度越低，其热阻越小，环路热管的温控性能越好。

这里给出环路热管热阻[16]的定义：

式中：

Tew——蒸发器壁面温度，℃；

Tcond——冷凝器的平均温度，℃；

Qe——热源功率，W。

图8为热源功率分别为20 W和140 W的情况下环路热管在不同充注量下的热阻变化情况。从图8可以看出，热源功率为140 W时环路热管的热阻要小于20 W时的热阻。但不管热源功率保持在20 W还是140 W，当环路热管的充注量为60 ml时，即充注量占整个环路热管内腔体积（热管内腔总体积为83 cm3）的72%左右时，热管的热阻最小（最小热阻分别为1.1 ℃/W和0.28 ℃/W），此时环路热管的控温性能均最好。而当充注量较小时，环路热管启动困难，此时其热阻较大；当充注量更大时，由于过多的工质导致环路热管内腔可以容纳蒸汽的空间变小，同样也不利于环路热管的换热，故热阻又会变大。

因此，实验时要选用合适的充注量，过小或过大的充注量都会影响环路热管的启动过程，并使其控温性变差。

图8 热源功率为20 W和140 W时环路热管热阻随充注量的变化情况

3 结论

本文通过对环路热管的原理以及特殊结构环路热管系统的蒸发器壁面温度随充注量变化的研究，得到以下结论。

1) 对于实验设计的特殊结构的环路热管，当热源功率为20 W或140 W，冷却水温保持在30 ℃时，工质的充注量占环路热管内腔总体积的72%左右时其控温性能最好。

2）充注量过小或过大均不利于特殊结构的环路热管的高效工作。其原因为当充注量过小时，环路热管难以正常启动并发挥相变换热的能力，其换热效果有限；当充注量过大时，环路热管内部工质所占内腔空间太多，导致汽化的蒸汽所占空间很小，系统运行阻力很大，因而也不利于环路热管的换热。

3）本文针对特殊结构的环路热管在不同充注量下的控温性进行了探讨，为后续环路热管的研究奠定了基础。

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Experimental Research about Influence of Refrigerant Charge on Performance of Water Cooling Loop Heat Pipe

ZHAO Tongle*, WU Jingyi, ZHANG Jinjin, CAI Aifeng
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The refrigerant charge has an important impact on the performance of loop heat pipe (LHP) system. The influence of the refrigerant charge on the heat transfer property as well as temperature control property of the LHP with special structure was analyzed in this article. By measuring the temperature of the LHP’s evaporator surface when the heat source power is 20 W or 140 W and the cooling water temperature is 30oC (the volume of the LHP is 83 cm3), the temperature change under different refrigerant charge (10 ml～80 ml) conditions was discussed. It is practicable to obtain the optimal refrigerant charge by comparing the experiment results. At the end of this article, the thermal resistances of the LHP system with different refrigerant charges are calculated, which confirmed the experimental results. The optimized results lay the foundation for the further research on LHP.

Loop heat pipe (LHP); Refrigerant charge; Temperature control property; Optimized results

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.104

*赵同乐（1992-），男，硕士研究生。研究方向：环路热管。联系地址：上海市闵行区东川路800 号，邮编：200240。联系电话：021-34206776。E-mail：jywu@sjtu.edu.cn。