高性能柔性环路热管设计与热特性分析

2022-10-30徐光明邵博李南茜赵晨阳郑宿正陆燕

化工进展 2022年10期

徐光明，邵博，李南茜，赵晨阳，郑宿正，陆燕

（1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；2 中国科学院大学，北京 100049）

日益严重的能源危机和环境污染问题推动了新能源新技术的革新，使得高效冷却、强化传热传质等有效热管理技术在面临重大挑战的同时也带来了行业新的发展机遇。环路热管（loop heat pipe,LHP）发轫于20 世纪70 年代初的苏联，是一种由传统热管改进而来，通过多孔介质中毛细管力驱动流体循环、利用蒸发/冷凝相变潜热传递热量的被动高效传热装置。LHP 与传统热管的区别在于毛细结构仅存在于蒸发器中，且气液管线分离，大大降低了流动阻力。因此，和传统热管相比，LHP具有远距离传热能力强、可逆重力运行以及结构灵活等优点，能够适应愈加复杂的热管理环境。迄今为止，LHP已经凭借着性能优势和高可靠性在空间热控技术领域得到广泛认可。

目前，研究人员正致力于将LHP 的应用推广至更高功率水平和复杂集成性的航天和地面工业，如面向深空探测等宇航任务的不同温区LHP，也有用于解决现代电子冷却方案的平板式、小微型、多蒸发器等新结构LHP。近年来，基于LHP的柔性传热部件成为新的发展趋势，其实现方式主要包括利用金属本身的延展性通过小截面的细长管路、金属波纹管、局部螺旋盘绕状和有机聚合物式软管等形式实现弯曲变形的功能。然而，小直径的管线配合螺旋盘绕形式才能够提供较高的柔度和较大形变，带来的后果是大大增加了管线长度和流动阻力而有效传输距离却难以提高。金属波纹管的粗糙表面会导致流阻增大，也会因受到形变的限制而应用受限。聚合物型的管路解决了变形小的问题但也存在承压能力较弱、封装强度较低的问题。因此，仍需探索具有更低阻力和更高柔性的材料作为柔性LHP管路。

与此同时，LHP的性能表现一直是研究人员及应用市场关心的核心问题。国内外学者从启动特性与稳态运行性能入手，研究了各类外界因素（如加热功率、重力倾角等）、工质选用与充装量、部件材料结构等的影响，优化各类参数以强化LHP 性能。印度Jasvanth 等设计了镍芯-氨圆柱形LHP，测试最大热负荷为600W，工作温度超过40℃。俄罗斯Maydanik等比较了相同加热面积下的圆柱形和平板式蒸发器-氨LHP，在0.33m的有效距离最大热负荷分别为400W 和320W，对应的最小热阻分别为0.064℃/W和0.067℃/W，但工作温度均超过了45℃。日本Watanabe等分别设计以不锈钢和聚四氟乙烯（PTFE）芯制作了平板式蒸发器LHP，以水为工质，能够在1.01m有效距离内最大传输700W 和650W 的热量，对应热阻分别为0.073℃/W和0.071℃/W，工作温度在180℃附近。杨涛等设计了一种氮化硅陶瓷芯平板式LHP，以氨为工质，测试得到的传热极限和最小热阻值分别为400W 和0.018℃/W。Zhang 等设计了一种双孔镍芯-氨平板式LHP，能够在1.6m 的距离传输180W 热量，工作温度高于60℃。Xiao 等针对多点热源问题设计了大型铝制平板式LHP，采用不锈钢丝网作为毛细芯、丙酮为工质，可在20～140W启动运行，最小热阻为0.032℃/W，工作温度大于80℃。目前LHP技术还存在热流密度范围小、传输距离较短、工作温度较高以及制备工艺复杂、成本高等缺点，传热性能有待进一步提高。

本文介绍了一种带方形储液器的高性能的LHP结构，以PTFE 材料作为蒸发器内毛细芯、氨为工质，并在传输管路中耦合了不锈钢内衬平滑型PTFE 金属软管。实验研究了低功率下的启动特性和不同加热功率下的传热性能，对环路的压降进行了分析。结果表明，设计的LHP 样机驱动力远大于设计工况的沿程压降，能够实现大功率远距离柔性传热，可以为今后更合理的大型LHP 设计与应用提供指导。

1 实验装置和方法

1.1 样机介绍

设计了一套以氨为工质的LHP 样机，是典型的单蒸发器-冷凝器结构，连接了两根分别用于液体和蒸汽流动的传输管线。主要的壳体材料为铝，配有带PTFE 芯的圆柱形蒸发器，储液器为长方体结构，所有部件之间的连接采用焊接方式。LHP的具体结构如图1 所示，图1(b)详细展示了蒸发器和储液器的内部结构。低热导的PTFE 毛细芯通过柱状面过盈配合减少了蒸发器向储液器的径向漏热。大容积储液器的设计结合了层式平板型蒸发器的优点，可以增强液相工质向蒸发器补充。毛细芯得到更有效润湿后，在毛细管力的作用下液体被泵送到芯外表面蒸发，能够加快启动响应。在气液管线中通过增加不锈钢编织内衬平滑型PTFE 金属软管延长了传输距离，并提供了额外的柔性，允许LHP在实际应用中布置更为灵活。冷凝器由双层嵌入铝质冷板的蛇形无氧铜管制成，各层管路分别作为LHP组件和接入冷却水，一体化的设计能够增强换热效率从而有助于提高LHP的传热极限。需要注意的是，尽管目前没有充分证据表明无氧铜和氨工质之间化学不相容，未来还是将采用铝管替代的优化设计以提高系统长期运行的可靠性。表1中给出了实验样机的详细参数，其中毛细芯的孔径和孔隙率分别由扫描电子显微镜和压汞仪测得。

图1 实验LHP的基本结构

表1 实验LHP主要部件的几何材料参数表

在本设计中，采用钢丝增强的内衬PTFE 金属软管，工质流经聚合物光滑内表面流动阻力小，并且具有吸收振动、耐弯曲疲劳等优势。在样机装配前对软管进行了承压和柔性弯曲测试，向软管分别充0、1MPa 和2MPa 氮气封堵后通过拉压传感器测试软管的弯曲应力。经计算，在2MPa 内部压力下软管翻转角度大于90°时弯矩小于1N·m。

1.2 实验方法与条件

LHP实验测试系统如图2所示，由充装完成的样机和加热、测温与数据采集、冷却水循环等子系统组成。采用聚酰亚胺薄膜加热器（200mm×70mm）粘贴在蒸发器外表面以模拟热负载输入，调节直流电源电压控制加热器的功率。铝制冷板用作系统热沉，由恒温循环水装置冷却，控温精度为±0.5℃。在全部测试过程中，LHP 的所有部件（冷凝器除外）均用隔热材料包裹以最大限度减少环境的对流换热影响。

用聚酰亚胺胶带将12 个精度为±0.15℃的铂电阻（SMD 型PT1000）紧固在LHP 系统主要特征位置表面，以监测环路沿线的温度分布。与计算机相连的Keithley-2700数据采集单元以20s的时间间隔采集测试数据。测温点的位置如图1(a)和图2所示，其中T1、T2 分别位于储液器侧面上下端；T3、T4位于蒸发器上表面且不与加热片接触，轴向间距50mm；其他各点粘贴在金属管外壁面。由于壳体及管线的壁厚最大不超过3mm，且所用金属导热性非常好，因此所测壁温可近似看作内部工质的温度。在表2所示的实验工况下，测试分析了LHP的启动和稳定运行特性。

图2 实验系统示意图

表2 LHP-2启动及逐步加热的实验工况

1.3 数据处理与不确定度分析

工作温度和系统热阻用于评估LHP 的传热性能。一般而言，环路热管的工作温度可以定义为蒸汽槽道温度、蒸发器温度和储液器温度。考虑到在散热应用中设计要求通常涉及最大允许温度，使用蒸发器温度作为工作温度更具意义。系统热阻用式(1)计算。

式中，是平均了冷凝器入口温度、冷凝器中间温度和冷凝器出口温度计算得出的冷凝器温度，如式(2)所示。图1(a)中的测温点的均值、、和分别对应于上述等式中的、、和。为在蒸发器上施加的热负荷，通过式(3)电流和电压的关系式计算出。

加热功率和热阻属于间接测量参数，其不确定度可以表示为式(4)和式(5)，主要来源于温度、电流和电压等直接测量参数。

式中，电流表和电压表的精度等级=0.5%。当热负荷为700W 时，电压表的读数为=84.5V，电压表的量程为′=100V。电流表的读数为=8.29A，电流表的量程为′=10A。式(5)中Δ和Δ参考铂电阻的精度。(Δ-Δ)是实验期间蒸发器和冷凝器之间的最小温差。

计算加热功率和系统热阻的不确定度分别为0.84%和4.3%。

2 结果与讨论

2.1 变加热功率下环路热管的运行过程

2.1.1 启动及变功率瞬态温度分布

LHP的瞬态启动过程始终是运行中最复杂的现象之一，伴随着工质汽/液运动和两相的重新分布，涉及流体蒸发、沸腾、对流和冷凝等多种传热问题。未对LHP 进行其他预处理，将样机置于水平地面保持水平姿态，随后打开冷却水循环装置，等待所有位置点温度稳定后开始加热启动。图3给出了热沉为20℃、输入功率为50W工况的启动过程。在施加热负载后，蒸发器、气体管线和冷凝器进口的测温点迅速响应，热流沿蒸汽管线向冷凝器快速移动。同时，液体管线上的测温点温度降低表明过冷的液相工质向储液器流动。当各点温度分布的波动可以忽略趋于稳定时，即LHP 建立了新的平衡状态实现了在这样的功率水平下稳定的运行模式。图3表明设计的LHP能够在50W较低的加热功率下在400s 内启动且最大温升小于3.5K，没有温度过冲现象，显示出了非常平稳的启动特性。

图3 LHP低功率启动各点温度曲线

随着启动完成，判定当LHP 系统的工作温度在连续五分钟内波动小于0.5K 时，系统达到稳定运行状态。随后进行加热功率增量测试以验证其可靠性和对热负载变化的瞬态响应，在较高功率延长了稳定运行时间以避免温度震荡等异常现象突然发生。图4记录了LHP的所有部件特征位置在不同加热功率下随时间变化的连续温度曲线。从图中发现沿冷凝器入口向出口的中间段，测温点在200W、600W 和700W 时出现了不同程度的温度震荡，而系统工作温度没有明显的波动。参考冷凝流型可视化的相关研究，分析认为测温点11、测温点12 的温升过程代表的是不同加热功率下气液界面在冷凝器内部的移动，其中的温度震荡点源于蒸汽前端的间歇性流动。受限于薄膜加热器的额定电流，当功率增加至800W时，薄膜加热器烧毁失效断路，加热功率骤降为0W，温度分布如图5所示。可以观察到此时LHP 除储液器和液体管线温度随时间无明显变化外，其他部件温度均迅速降低，说明无热负载后液相工质能够从储液器回流至冷凝器，LHP立即停机，表现出热二极管的特性。实验结果表明，该LHP 在加热器从50W、100W 等直到700W 的功率切换时能够快速响应并建立稳定的温度工作状态，具有良好的传热性能。

图4 LHP变加热功率切换温度分布

图5 800W加热器失效后LHP停止运行温度分布

2.1.2 不同加热功率下的稳态性能

系统热阻表示了蒸发器吸收热量并通过冷凝器散热的能力，能够用来表征LHP 内传热过程的强度。传热过程越强即传热性能越好，热阻越小。图6 统计了LHP 在不同功率下的工作温度和系统热阻。根据系统总热导的变化规律（热导为热阻的倒数），LHP 稳定运行过程一般存在可变热导和固定热导两种工作模式。低功率下，冷凝器仅部分用于蒸汽冷凝，LHP 工作在可变热导区。如图6 所示，在50～400W 区域内，随着热负荷增大，冷凝器逐渐被激活，两相区长度增加，冷凝器内液相工质被压向储液器内，系统总热导逐渐增加，热阻减小。当功率增加到超过400W时，冷凝器被最大化利用，冷凝器和储液器之间的液相工质不再重新分配。此时，LHP工作温度由冷凝器内的相变温度决定，随热负荷呈线性增加，系统热阻几乎保持为恒定值，热管工作在固定热导区。一般来说，设计人员希望LHP 工作在固定热导模式，以减小系统运行热阻，表现出最佳性能。

图6 不同加热功率下LHP稳态工作温度和系统热阻

在所测试的实验结果中，最大传热量为700W，此时LHP 的工作温度为307.2K，根据式(1)计算得到热阻为0.01K/W。结合图5，在700～800W的加热功率切换过程中，系统仍平稳运行，各点温度没有明显的发散趋势。因此，可以认为本文的LHP传热极限大于最高的实验值。LHP的性能表现是毛细芯的材料结构、工质选用以及宏观尺寸设计等多因素耦合的结果。如表3所示，列举了2017—2021 年国内外几组典型LHP 的设计与测试结果对比。通过比较传热量、传输距离、工作温度以及系统热阻等指标参数，本实验LHP 的性能在已发表文献中具有一定优势。

表3 2017—2021年国内外典型LHP稳态性能统计

2.2 流动分析

为了更好地评估LHP 性能和分析设计的合理性，对不同加热功率下工质在各部件的压降分布进行了校核计算。LHP的正常运行应该始终满足毛细驱动力大于沿环路的所有压降损失，表示为式(6)。

式中，Δ、Δ、Δ、Δ、Δ分别为工质流经毛细芯蒸汽槽道、气体管线、冷凝器、液体管线和毛细芯内的压降；Δ为重力压降；Δ为耦合软管时管径突扩、突缩带来的局部压降。Δ通常按毛细芯能提供的最大毛细管力Δ来计算，见式(7)。

式中，为工质的表面张力系数；为工质和毛细芯之间的表观接触角；为毛细芯的孔半径。

根据流体力学分析，Δ和Δ可按水平管内单相流压降计算，见式(8)～式(11)。

式中，、和分别表示管线的长度、等效直径和横截面积；、、̇、和则分别表示工质的密度、流速、质量流量、潜热和动力黏度；表示流体沿程阻力系数；下角标i代表gr、vl、u。

过热蒸汽在冷凝器中发生相变释放潜热后以过冷态流出，因而冷凝器内的压降可分过热段、两相段和过冷段。其中过热段和过冷段按式(8)计算，两相段采用Friedel分相改进模型的方法，在单相流动压降的基础上乘以修正系数，可按式(12)计算。

式中，是质量流含气率；和分别是重力加速度和质量流速；是基于流量密度的全液相Froude 数；是基于流量密度的全液相Weber数。

设变截面之前的截面积为，对应的速度为，变截面之后的截面积为，对应的速度为，以变截面之后的流动参数为准，Δ按式(13)计算。

工质在毛细芯内的压降根据达西定律按式(15)计算。

式中，、、和分别表示毛细芯的等效厚度、渗透率、孔直径和孔隙率。

由于蒸发器和冷凝器的相对位置不同，一般LHP在重力场中测试时，重力压降按式(16)计算。

式中，Δ为重力场中从冷凝器到蒸发器的高度差，冷凝器在蒸发器上方为正，反之为负。

实验在水平姿态下完成，不存在高度差，即重力压降为0。经计算各部件压降分布如图7 所示，具体数值在表4中给出。结果表明，设计的LHP能够提供覆盖沿环路损失的毛细管力，即使在700W时，剩余压降仍是充裕的，辅证了传热极限能够达到更高或可以在一定高度的反重力方向运行。此外，气体管线和毛细芯内的流动阻力是环路的主要压力损失，但相对于毛细管力仍然较小。尽管金属软管段的单位长度压降与其他传输管段相比较大，仍未对系统压降造成不可忽视的损失。并且，由于软管内壁光滑加之局部压降很小，参考相关实验研究结合计算过程分析后认为阻力的增加来源于工艺选型上管径较小的原因。相比较其能够提供的柔度，这样的压降损失是可以接受的。