三种不同毛细芯的有效导热系数的实验研究

2019-07-04谢荣建

真空与低温 2019年3期

陈曦，林毅，孙琦，谢荣建

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;2.中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083）

0 引言

1971年，前苏联的Maidanik等[1]在传统直热管的基础上提出了环路热管（Loop Heat Pipe）的概念。因传热效率高，传输距离远，能够在失重条件下运行等优点[2-4]，环路热管在空间热控制系统[5]，电子设备散热[6]等领域中得到了广泛的应用。在环路热管中，毛细芯产生的毛细力驱动着工质不断循环流动，使得工质在蒸发段及冷凝段产生相变换热，形成了整个系统的流动循环和热量输送过程，所以毛细芯对环路热管的启动和传热性能起到决定性作用[7]。毛细芯的传热机理较为复杂，而利用有效导热系数来表征毛细芯的传热性能是最为有效的方法[8]。近年来众多学者对毛细芯的有效导热系数展开了研究。

Mo等[9]用热常数分析仪测量填充有水、乙二醇和甘油的多孔烧结镍材料的有效导热系数。结果表明，多孔介质的热导率与流体的热导率，充液率和材料的孔隙率有关。El-Nasr等[10]研究了毛细芯层的数量对环路热管的有效导热率和热传递特性的影响，发现工质的流动特性取决于毛细芯的结构和芯层的数量，而热管的传热特性和有效热导率直接与工质的流动特性相关。Xin等[11]通过建立实验测试平台，采用稳态导热法对烧结毛细芯的有效导热系数进行了实验研究。实验表明，烧结镍铜毛细芯的有效导热系数显然小于单一组元的毛细芯，且当孔隙率增大时，其值减小，含水毛细芯的有效导热系数相比干态毛细芯的导热系数大，实验数据与Alexander[12]模型的拟合性最好。宣益民等[13]分析了工质的物理性质对毛细芯抽吸性能的影响。研究显示，应用新型工质可以改善环路热管的传热性能。

毛细芯的材料结构及其性能对环路热管的整体传热效率有着至关重要的影响[14]，从现有的相关研究来看，学者们大多针对某一具体的毛细芯进行研究，对于不同材料和结构的毛细芯研究很少。为了探讨不同材料的毛细芯对环路热管传热性能的影响，本文设计了一台实验装置，对氮化硅、氧化锆、3D打印的钛合金毛细芯的有效导热系数进行了研究。实验采用乙醇和水为工质，测试干态、含水和含乙醇状态下三种毛细芯的有效导热系数。这为研究毛细芯有效导热系数对环路热管传热性能的影响及研制高效毛细芯提供了实验依据。

1 实验系统及数据处理

实验系统主要包括三部分，即测量毛细芯工作时表面温度的实验测试容器、辅助设备和一些测量设备。辅助设备主要有真空泵、数据采集仪、加热电源、直流电源、水冷机、液氮罐、保温箱。测量设备包括压力传感器、铂电阻、加热片、滴定管。图1是为本次实验设计的测试容器。

通过悬挂法将毛细芯顶部竖直固定在测试容器上部，浸没在液体工质中的深度为5 mm。金属陶瓷加热片贴在毛细芯顶端表面，7个铂电阻（Pt1000）以30°，等距10 mm的方式沿轴向环绕贴在毛细芯表面进行测温，测点分布如图2所示。

采用稳态法对毛细芯的表面温度进行测量。为测得毛细芯在工作状态下的热物性，在其表面等间距取若干温度测点，加热条件下达到稳态时毛细芯的有效导热系数如式（1）。

图1 实验测试容器示意图Fig.1 The schematic of experimental test container

图2 毛细芯测点分布图Fig.2 The distribution diagram of measuring points of capillary wick

式中：Ax为毛细芯的横截面积，cm2；leff为毛细芯的有效高度，cm；T1为测点1的温度，℃；T7为测点7的温度，℃；qin为毛细芯的真实加热功率，W。qin的计算表达式如式（2）～（3）：

式中：qin,loss为热损失，W；qcond为导热引起的加热损失，W；qconv为自然对流引起的加热损失，W；qrad为辐射引起的加热损失，W；q为直流稳压电源的输入电功率，W，可以通过直流稳压电源的电压和电流计算得到。更详细的数据处理及误差分析见文献[15]。

实验测量了三种不同材料的毛细芯的表面温度值，分别是3D打印的钛合金毛细芯，烧结的氧化锆毛细芯以及氮化硅毛细芯，如图3所示。从高倍光学显微镜下的毛细芯横截面图可以看出，3D打印的钛合金毛细芯材料为Ti64ELI粉末，逐层打印，结构规则。相比粉末或金属烧结的毛细芯，其优势在于内部孔隙分布可控且均匀。这三种毛细芯尺寸大小相同，均为φ20 mm×80 mm，液体流道尺寸为φ8 mm×75 mm。

图3 光学显微镜下的毛细芯横截面图Fig.3 The cross-section diagram of capillary wick under optical microscope

2 实验结果与讨论

2.1 三种干态毛细芯的有效导热系数

图4是在不同加热功率下钛合金、氧化锆及氮化硅毛细芯干芯上各个测点的温度值，用曲线进行拟合绘制成图。可以看出，钛合金毛细芯上的测点温度近似线性分布，而氧化锆、氮化硅毛细芯上的测点近似指数分布，这也可以说明3D打印的钛合金毛细芯结构规则，可以视为各向同性，而烧结的金属芯无法保证其内部孔隙均匀一致，视为各向异性。

图4 三种毛细芯各测点温度的变化曲线Fig.4 The temperature change of each measuring point of three kinds of capillary wicks

将获得的不同温度下三种干态毛细芯的有效导热系数绘制成图5，图中毛细芯的平均温度Tm为7个测点的温度的平均值。可以看出，随着加热功率的增大，毛细芯的平均温度不断升高，从而导致三种毛细芯的有效导热系数随之增大，这符合金属的导热系数随温度的变化规律。其中，氮化硅毛细芯的有效导热系数大于钛合金毛细芯的，氧化锆毛细芯的有效导热系数最小。

图5 不同温度下三种干态毛细芯的有效导热系数曲线Fig.5 The effective thermal conductivities of three kinds of dry capillary wicks

2.2 三种含水毛细芯的有效导热系数

图6为不同温度下含水的三种毛细芯的有效导热系数。p为罐内绝对压力，H为毛细芯浸泡深度，Tf为罐内液体温度。可以看出，氮化硅和氧化锆毛细芯的有效导热系数都在20～30℃之间达到一个峰值，而钛合金毛细芯的峰值推迟至50℃左右。而后，随着温度的继续上升，氮化硅毛细芯的有效导热系数先急剧下降，后缓慢下降。氧化锆和钛合金毛细芯的有效导热系数随温度的下降相对缓慢。根据相关文献[16-17]报导，高热导率的毛细芯会加大蒸发器的径向漏热，导致毛细芯的有效导热系数降低。由前面的实验可知，在三种毛细芯中，氮化硅的热导率是最高的。同时氮化硅的热扩散系数较高，热量会迅速扩散到毛细芯的内部，造成蒸发器核心内的工质容易被加热气化[16]，使得热管的传热性能快速恶化。这是氮化硅毛细芯的有效导热系数急剧下降的重要原因。从文献[15]可知，常温下，水对钛合金的浸润性不好，因此在温度较低的情况下，该芯的有效导热系数较低，随着温度的上升，水对钛合金的浸润性变好，有效导热系数随之上升。同时由于钛合金毛细芯的孔隙均匀且孔径相对较大，减小了工质的流动阻力并为工质的蒸发及蒸气的及时排除提供足够的空间[18]，热管的传热性能得到优化，所以钛合金毛细芯的峰值温度高于另外两种毛细芯。而后，随着温度的继续上升，工质被逐渐蒸干，三种毛细芯的有效导热系数都逐渐减小。

图6 三种含水毛细芯的有效导热系数曲线Fig.6 The effective thermal conductivities of three watercontaining capillary wicks

2.3 三种含乙醇毛细芯的有效导热系数

图7为不同温度下含乙醇的三种毛细芯的有效导系数。由图7可知，含乙醇的钛合金和氧化锆毛细芯的有效导热系数随温度的变化规律相似，都是在20～30℃间达到一个峰值。由于乙醇的沸点在此绝对压力下为35.14℃，因此随着温度的继续上升，工质迅速蒸发，热管内的液体被逐渐蒸干，所以两种毛细芯的有效导热系数都迅速下降。

图7 三种含乙醇毛细芯的有效导热系数曲线Fig.7 The effective thermal conductivity of three kinds of ethanol-containing capillary wicks

相反，从图7中还可以看出，氮化硅毛细芯的有效导热系数随温度的变化没有出现大的变化。这是因为乙醇的沸点在该绝对压力下过低，同时氮化硅的热扩散系数较高，造成蒸发器核心内的工质容易被加热气化，氮化硅毛细芯内的工质极易被烧干，几乎没有液体工质参与传热，此时毛细芯的有效导热系数几乎等于干态时的有效导热系数。所以氮化硅毛细芯的有效导热系数没有出现过大变化，只是随温度的上升略有增大，这符合金属的导热系数随温度的变化规律。