一种纵向供液式环路热管传热性能研究

(华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

随着集成技术的发展，电子元器件的功率不断增加，散热问题成为电子设备性能提升的制约因素，逐渐得到了国内外研究者的广泛关注[1]。目前，单相换热能力已经不能满足使用需求，两项散热技术成为发展的趋势。环路热管(Loop Heat Pipe，LHP)技术是一种两相散热技术[2-3]，利用毛细力驱动工质循环相变传递热量，具有传热性能高、传热热阻低、传输距离长和无运动部件等优点。

将LHP技术应用于电子设备散热中，需要进行小型化设计。LHP小型化的主要难点是减小LHP系统的厚度，传统背向供液LHP系统由于补偿腔与集气腔的存在，一般厚度在10 mm以上，远远不能满足电子设备散热的空间要求。因此，纵向供液的LHP蒸发器结构引起了研究者的关注，同传统LHP不同，纵向供液补偿腔位于毛细芯一侧，补偿腔厚度根据毛细芯厚度进行调整，大大减小了LHP系统的整体厚度，采用纵向供液结构的LHP系统厚度可以达到3～8 mm[4]。纵向供液LHP的研究使LHP微小型化成为可能。

Maydanik[5]、Singh[6]、Joung[7]等均研制了多种不同工质与材料的纵向供液LHP实验系统。Shioga[8]团队利用刻蚀技术制作了厚度为0.1 mm的LHP系统环路薄片，堆叠制作了厚度为0.6 mm的超薄LHP系统，能够对变化的热负荷进行迅速响应。李骥[9-10]等研制了厚度为1.19 mm的LHP系统，在热负荷为1～12 W条件下成功运行。汪双凤[11]等设计测试了厚度为8 mm的纵向供液LHP系统，并测试了冷凝器相对位置对于系统运行特性的影响，发现冷凝器的布置不当会导致LHP启动过程中出现温度波动现象。唐勇[12-13]等对工质为铜-水纳米流体的小型LHP建立了数学模型，研究发现当热负荷大于25 W时，纳米流体表现出了更好的传热特性。总体而言，对于纵向供液LHP的研究尚不多见。

本文在上述研究的基础上设计制作了一种厚度为6 mm的纵向供液式LHP系统，蒸发器材质为黄铜，选用镍基双孔径烧结毛细芯。实验测试了系统在水平状态及重力倾角10°辅助状态下的启动与变负荷性能，研究分析了该系统的启动与传热特性。

1 实验系统设计

实验LHP系统由蒸发器、蒸气管路、液体管路与套管式冷凝器组成。蒸发器整体外观尺寸为68 mm×26 mm×6 mm，其中厚度为6 mm，蒸发器结构设计如图1所示。蒸发器上部盖板侧开有厚度为0.8 mm的供液槽，增强系统的供液能力。实验管路选用外径为4 mm的紫铜管，蒸气/液体管路与冷凝器长度分别为100 mm、150 mm、180 mm。

LHP系统与测温点布置如图2所示，加热面为面积为7.2 mm2,79 mm(L)×99 mm(W)×13.5 mm(H)的紫铜块，模拟热源由三根单头加热棒嵌入铜块中制成，均温测试中加热面各点温差不超过1℃。系统布置有13根精度为±0.5℃的T型热电偶，由Keithley-2700数据采集仪进行数据采集。套管式冷凝器直接与冷水机组相连，测试中冷凝器温度设定为5℃。实验测试前对系统进行抽真空处理，回路压力达到2.5×10-4Pa。循环工质选用甲醇，充灌率为80%。

2 实验结果与分析

2.1 LHP系统启动特性测试

启动过程是LHP系统运行中最复杂的过程，热负荷、充灌率、传输管路长度、冷凝温度、气液状态初始分布、系统姿态等因素都会对启动特性产生影响[12-13]。同时，LHP系统启动热负荷存在有阈值，即系统成功启动的最小热负荷，低于该热负荷，LHP系统就会启动失败。因此，当启动阈值过高时，LHP系统对热负荷的响应性能会受到限制。本文对水平与重力倾角10°两种状态下，系统的启动性能进行了测试分析。

2.1.1 水平状态启动特性

当系统处于水平状态下，限制加热壁面温度低于100(±1)℃，系统在热负荷20～60 W热负荷下可以成功启动运行，最大热流密度8.3 W/cm2。图3给出了热负荷为20 W和60 W条件下，系统的启动过程温度变化图。负压LHP系统启动一般可以分为三个过程：加热阶段、预启动阶段、启动阶段。蒸发器加热面加载热负荷后，蒸发器加热面温度迅速上升，通过热量传导，蒸发器中其他部分温度也随之上升。毛细芯表面工质相变汽化，通过蒸汽槽道集聚到集气腔，集气腔压力随之升高，推动工质经由蒸汽管路进入冷凝器，工质蒸汽在冷凝器中冷凝为过冷液体。之后，在毛细力作用下通过液体管路流回补偿腔，补偿腔温度降低，在毛细芯两侧形成稳定压差，系统达到能量平衡，各点温度趋于稳定。

同传统背向供液LHP系统不同，纵向供液LHP系统补偿腔位于毛细芯及蒸汽槽道一侧。为减小蒸发器厚度，通常补偿腔与加热部分处于同一壁面，因此在热源对毛细芯加热的同时也会对补偿腔加热，“侧壁导热”现象加剧，导致补偿腔气化，蒸发器蒸气出口侧与液体进入侧温度同时升高，难以形成足够的压差，延长启动时间，甚至严重时导致补偿腔烧干，启动失败。

如图3(a)所示，在热负荷为20 W时，系统启动过程处于过冲模式，温度出现“尖顶”现象。分析其中原因，在低负荷启动过程中，黄铜加热壁面导热性能强，毛细芯与补偿腔同时被加热，难以建立足够的压差，系统温度持续升高，直到压差足够推动工质进入冷凝器冷凝并回到补偿腔，此后系统进行循环，液体工质冷却补偿腔，系统整体温度开始降低，然后达到稳定状态。

通过图3(a)温度变化，可以发现在启动过程前12 min，补偿腔入口与蒸发器出口温度同步上升。冷凝器入口温度在12 min左右开始大幅度上升，工质蒸汽开始进入冷凝器，工质液体回流补偿腔，系统各点温度开始下降，最后趋于稳定，系统启动。图3(b)显示，“侧壁导热”在高热负荷条件下会导致系统成功启动运行后温度缓慢增加，难以稳定。分析可能的原因，部分热量通过蒸发器壁面导入补偿腔，补偿腔回流液体过冷度不足以补偿这一部分热量，补偿腔温度不断上升，为克服系统管路中阻力，在蒸发器两侧形成足够压差，蒸发器出口侧蒸汽温度也随之不断缓慢增加。

如表1所示，系统启动后，补偿腔背面温度较补偿腔入口测温度高，补偿腔上部充满工质蒸汽，补偿腔处于气液两相。纵向供液结构中，通过侧壁向补偿腔导热比例较高，制约了LHP系统启动及运行性能。

表1蒸发器温度

热负荷/W蒸汽出口温度/℃补偿腔背面温度/℃补偿腔入口温度/℃2050.246.537.33058.554.242.14066.56245.95077.872.253.66090.483.460.7

2.1.2 初始气液分布对启动性能的影响

大量实验研究表明系统中初始气液分布状态也会对LHP系统启动性能产生较大影响[14-15]。实验测试发现，相同热负荷条件下，不同的前置实验会使系统特性发生变化。如图4所示，图4(a)为冷态直接启动，图4(b)为前置测试热负荷为80 W后启动。

由图4可以发现，在启动阶段，两种不同工况均产生了蒸汽进入蒸汽管路。图4(a)所示冷态启动工况下，启动出现“过冲”现象，该工况下蒸汽管路存在有液体集聚，气液界面在蒸汽管路侧，为克服运行阻力，系统温度不断升高。当系统温度达到最高点后，蒸汽工质进入冷凝器部分，冷凝器入口温度迅速上升，工质在冷凝器中释放热量并回流补偿腔，各部分温度随之下降最后趋于稳定，系统成功启动运行。图4(b)所示工况前置测试热负荷为80 W，之前测试中，蒸汽管路完全被气态工质占据，系统冷却后工质积液相对较少，在此工况下，冷凝器入口侧温度随蒸发器出口温度迅速上升，系统循环需要克服较小阻力，工质蒸汽产生后直接进入冷凝器冷凝，系统在较短时间中成功启动。对比图4(a) 与图4(b)，不同工况下系统启动模式虽然发生了改变，但是最终系统运行趋于稳定的温度相近，前置实验对于系统的稳定运行温度影响较小。

2.1.3 重力辅助状态下启动特性

系统姿态也是影响LHP系统性能的一项重要因素。通常当冷凝器位于蒸发器上侧时，蒸汽上升时会受到液体工质回流的阻力，液体侧重力的作用由阻力变为助力，推动工质回流补偿腔，重力对于系统运行特性的影响取决于这两部分影响的综合效果。在重力倾角为10°，冷凝温度5℃条件下，对系统启动特性进行了测试。实验结果发现在重力辅助条件下，系统性能有了大幅度提高。如图5所示，LHP实验系统在热负荷为10～150 W条件下均能成功启动，最大热流密度20.8 W/cm2。

通过图5(a)，图5(b)可以发现，重力辅助条件下，不仅大大提升了系统的应用的负荷范围，同时提升了系统启动与运行的性能。对比图3(a)与图5(a)，水平状态低负荷条件下，系统出现了过冲现象，产生了温度“尖顶”,重力辅助条件下即使是更低的热负荷也未出现过冲现象，系统响应更加迅速。对比图3(b)与图5(b),重力辅助时，高热负荷情况下消除了系统运行难稳定的现象。这是因为在重力辅助条件下，在冷凝器中冷凝的液体工质可以在受重力作用回流补偿腔，降低补偿腔温度，及时与蒸发器出口侧形成温差，使系统顺利启动运行。避免系统在侧壁导热作用下，蒸发器两侧温度同时上升，难以建立足够压差，延长启动时间甚至启动失败。

2.2 系统变负荷运行特性

在LHP系统实际应用中，加载的负荷情况并不是一成不变，电子运行中，产生的热量会随性能发生改变，因此LHP系统的变负荷条件下的响应速度与运行稳定性也是系统的重要评价指标。图6是重力倾角10°，冷凝温度5℃时，系统在热负荷20～150 W条件下的变负荷运行情况。

由图6可以看出，系统在热负荷为20～150 W条件下，加热壁面最高温度为94℃，升降负荷过程均能迅速响应，运行平稳，加热壁面无温度波动情况发生。同时随着热负荷的增加，蒸发器出口与补偿腔背面温差增加，回流液体工质对补偿腔冷却效果增强。补偿腔入口温度出现一定波动，幅度随热负荷有所增加，可能原因是补偿腔存在工质气化，处于气液两相，预测在更高热负荷条件下系统可能会因为补偿腔气化加剧导致系统失效。

2.3 热阻分析

LHP系统的综合传热性能通常用热阻这个指标进行评价[16]。LHP系统热阻被定义为热源与冷凝器温差同热负荷的比值。蒸发器热阻被定义为蒸发器加热壁面与蒸发器蒸汽出口温差同热负荷的比值。这两种热阻分别表征了LHP系统热输运性能以及蒸发器本身对系统性能的影响。热阻的数值越小，系统性能越好。具体的定义如下:

LHP系统热阻

(1)

蒸发器热阻

(2)

式中Theat——热源加热面温度;

Tevap——蒸发器出口蒸汽温度;

Tcond——冷凝器进出口平均温度;

Q——所加热负荷。

图7为LHP实验系统在水平状态以及重力倾角10° 条件下，LHP系统热阻与蒸发器热阻随热负荷变化的情况。如图7所示，两种系统姿态条件下，LHP系统热阻与蒸发器热阻均随热负荷增大而减小，最后稳定于同一水平，水平状态下Q=60 W时，蒸发器热阻0.139 ℃/W，重力辅助姿态下，热负荷为150 W时，蒸发器热阻0.123 ℃/W。同时，低负荷条件下，重力辅助状态蒸发器热阻较水平状态下更大，这是因为受重力作用，冷凝器中有一部分液态工质通过蒸汽管路回到蒸发器出口侧，此时热量有一部分通过工质显热带走，因此蒸发器热阻较大。当热负荷升高后，气液界面向液体管路侧迁移，蒸汽段回流工质减少，系统热量通过工质相变传递，蒸发器热阻随之减小。LHP系统热阻方面，不同热负荷时，重力辅助状态下系统热阻较小，这是由于重力作用，液态工质更容易回流补偿腔，回流工质含液率更高，能够对补偿腔进行有效降温，吸收侧壁传导的热量，从而使整个系统温度降低，减小系统热阻。

3 结论

本文设计制作了一种纵向供液式甲醇-铜LHP系统，并对该系统在水平姿态与重力倾角10° 条件下各项性能进行实验研究。通过本文的研究，可以得到如下结论：

(1)冷凝温度为5℃，加热壁面温度不超过100℃情况下，水平状态系统可以在热负荷20～60 W成功启动运行，最小热阻0.139 ℃/W。重力倾角10°时系统可以在热负荷10～150 W成功启动运行，最小热阻0.123 ℃/W。

(2)水平状态下启动测试，低负荷时容易出现“温度过冲”现象，高负荷时启动后难以完全稳定，分析原因是纵向供液结构使“侧壁导热”现象加剧，补偿腔处于气液两相。重力倾角10° 时，工质更易回流，能对补偿腔进行更好冷却，抑制了这种现象的产生。

(3)重力倾角10°条件下，变负荷性能测试，随着热负荷增加，补偿腔气化加剧，蒸发器入口处温度波动幅度增加，预测在热负荷进一步增加时，系统会因补偿腔沸腾失效。

(4)不同系统姿态下，LHP系统热阻及蒸发器热阻均随热负荷增加而减小，相同热负荷条件下，重力辅助状态LHP系统热阻相比于水平状态更小。同时，低负荷情况下，水平状态蒸发器热阻更小。