平板型环路热管温度波动现象研究

　　0　引　言

　　环路热管(loop heat pipe,LHP)是一种两相的高效传热装置,能在小温差、长距离的情况下传递大量的热量。LHP于1972年诞生于俄罗斯,并已经在航天领域得到实际应用[1-2]。随着科技的不断发展,LHP正在向小型化、平板型、高热流、远距离的方向发展,特别在民用的电子器件散热领域有着广阔的应用前景。与传统圆柱型LHP相比,相同大小的平板型LHP可以增大与发热器件接触面积,毛细芯受热更均匀,能够更好发挥LHP的传热能力[3]。同时,与传统圆柱型LHP相比,平板型蒸发器的温度梯度和工质流动的速度梯度夹角较小,从场协同角度看,平板型LHP比传统圆柱型LHP更有优势[3]。

　　Maydanik等做了大量圆柱形LHP实验研究发现,LHP在某些工况下会出现温度波动现象[4]。温度波动的机理比较复杂,其与系统透过毛细芯的背向漏热、通过边壁的侧壁导热、蒸发器补偿腔向环境的散热、回流液体过冷度、工质充灌量以及工质物理性质等都有密切关系。平板型蒸发器的独特结构,决定了其背向漏热和侧壁导热比圆柱形LHP更大,从而导致其更明显的温度波动[4-8]。充灌量对LHP运行有着很大影响[9-10],本文将针对系统50%、60%、70%三种工质体积充灌量进行实验对比,从而得到平板型mLHP比较适合的充灌量范围。此外,本文实验研究了重力倾角分别为10°、50°、90°条件下系统温度波动情况,并针对系统温度波动现象提出合理解释。

　　1　平板型mLHP实验系统

　　本实验系统是由mLHP系统、辅助加热系统、环境温度控制系统、数据采集系统组成。图1为平板型mLHP系统示意图,该系统由一个含有500目不锈钢丝网(共82层)多孔芯的平板型蒸发器(具体结构如图1(b)所示)、蒸汽管路、风冷管翅式冷凝器、液体管路组成,蒸发器、冷凝器以及所有的管路均为紫铜制成,其具体几何参数见表1;实验工质分别为丙酮、甲醇(纯度99.5%)。充灌前系统真空度抽至3.0×10-4Pa,然后将计算好的工质充入系统。温度测量系统采用Keithley-2700数据采集仪,连接12个铜-康铜T型热电偶来检测系统各主要区域以及环境的温度,所有热电偶标定后测温误差为±0.2℃,各测点位置如图1(a)所示。辅助加热系统采用2根加热棒安装在40 mm×30 mm×35 mm的紫铜块内作为模拟热源,通过调节变压器供给电热棒不同功率,其功率用功率表实时测量,模拟热源外层包裹厚10 mm,热系数为0.012 W/(m·K)的纳米超效绝热材料。根据傅立叶导热定律知加热系统的热损失:

其中λ为保温材料的导热系数,A为加热器与保温材料接触面积,b为保温材料厚度,ΔT为保温材料内外壁的温差。采集温度时同时采集保温材料内外壁的温度,从而可以算出在不同热流密度情况下通过保温材料散失的热量。在最大热负荷120 W时,通过纳米保温材料的热量损失为0.28 W,因此采用纳米超效绝热材料后,加热时基本不需要相应提高功率予以补偿,加热系统相对误差低于0.3%。