一种提高低温环路热管主蒸发器降温速率的新方法及实验结果

杨 帆 董德平

(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

1 引言

环路热管发展的一个重要趋势是低温化［1］。在低温环境中，与传统的传热器件比如紫铜冷链相比，低温环路热管(cryogenic loop heat pipe，CLHP)因其具有传输距离远、传输冷量大、温差小等优势，将被用于红外探测器焦平面与空间机械制冷机之间的冷量传递。但是低温环路热管的工质在常温状态下一般处于超临界状态(如N2，H2，O2等)或者接近临界状态(如C2H6、C3H6)。当低温环路热管从常温状态下开始降温时，冷凝器与冷源相连，其温度会随着冷源温度的降低而降低，液态工质最先在冷凝器中出现。在不添加任何驱动部件的前提下，低温环路热管冷凝器内部的液态工质不会自动流向蒸发器，而蒸发器与冷凝器之间的液体管线、气体管线的管壳热阻很大，因此低温环路热管蒸发器的降温速率会非常缓慢，远小于冷凝器降温速率，甚至主蒸发器温度不会降低并最终导致低温环路热管启动失败。因此，需要使用一些驱动措施来提高低温环路热管主蒸发器降温速率，解决低温环路热管从常温环境开始降温时面临的启动问题。

2 两类常用的驱动方式

为了解决低温环路热管启动面临的问题，加快低温环路热管蒸发器在启动前的降温过程，文献［2］中总结了3种解决思路:Dual－Loop CLHP(在低温环路热管的冷凝器和蒸发器之间再并联一个常温环路热管，见图1);Condenser mounted CLHP(将一个次蒸发器紧贴冷凝器，并且串联到低温环路热管的工质流动通道中，见图2);Advanced CLHP(将一个次蒸发器环路并联到工质主环路的流动通道中，见图3)。但是在实验研究中，研究者并没有完全依照上述的3种思路来设计低温环路热管，其中Dual－loop CLHP已经被研究者放弃，另外两种思路被研究者进行修改。针对不同的低温环路热管实物，按照低温环路热管中次蒸发器的布置方式来进行分类，主要为两种方式:(1)次蒸发器放置在两个冷凝器之间，与冷凝器串联;(2)次蒸发器与冷凝器并联。

图1 Dual-loop CLHP的模型图Fig.1 Model of Dual-loop CLHP

图2 Condenser-mounted CLHP模型图Fig.2 Model of Condenser-mounted CLHP

图3 先进回路热管模型图Fig.3 Model of advanced CLHP

2.1 串联次蒸发器与冷凝器的驱动方式

这种驱动方式的原型是 Condenser－mounted CLHP，但是依据此方式设计成功的低温环路热管都被取消了与次蒸发器相连的液体补偿器。其设计方式和驱动原理为:次蒸发器被串联进入冷凝器，冷凝器被分为两部分;次蒸发器内部使用毛细结构;次蒸发器的位置紧邻冷凝器的一部分(可以参考图4、图5)。当冷凝器随着冷源温度降低并出现液体时，由于次蒸发器紧邻冷凝器，在毛细力的作用下，次蒸发器内部将很快充满液态工质，加热次蒸发器使其内部液态工质汽化，升高压力，驱使次蒸发器前部的冷凝器内部工质流向主蒸发器，利用液态工质的潜热带动主蒸发器降温，加速主蒸发器的降温过程。

图5 莫青设计的低温环路热管模型图Fig.5 Model of CLHP designed by Mo Qing

美国Thermacore公司Dmitry Khrustalev依据串联次蒸发器与冷凝器的驱动方式设计了使用氧气作为工质的低温环路热管(如图4)［3］，该低温环路热管有主冷凝器和次冷凝器两个冷凝器，其中次蒸发器紧邻主冷凝器，内部填充不锈钢多孔烧结材料。使用GM制冷机提供冷源，当冷凝器降低到－200℃之后，对次蒸发器添加4 W加热持续45分钟，之后提升到6 W并持续2.5小时，使低温环路热管达到可以启动的状态。

中国科学院理化技术研究所莫青设计了一台液氮温区的低温环路热管，她设计了更为简单的次蒸发器［4］，连接到冷凝器内部(如图5)。次蒸发器为1根内部切出轴向槽道的短管，其中槽道用以提供毛细通道。当次蒸发器内部的槽道被液态工质浸润时，加热次蒸发器，推动处于次蒸发器前方冷凝器内部的液态工质流向主蒸发器，这种设计新颖的次蒸发器已经被试验证实能够起到驱动主蒸发器降温的作用。

2.2 并联次蒸发器与冷凝器的驱动方式

这种驱动方式由TTH提出，其设计方式和驱动原理为:次蒸发器内部放置多孔烧结材料，将一个次蒸发器补偿器组件与一次冷凝器串联，然后并联到环路热管的主回路中(参考图6、图7)。与次蒸发器相连的补偿器紧邻次冷凝器。当冷源温度降低时，补偿器内部为两相状态，次蒸发器内部被液态工质浸润。加热次蒸发器，液体汽化，合理设计工质在各个管道内部流动阻力，使次蒸发器内部气态工质流向主冷凝器，驱动主冷凝器内部的液态工质流向主蒸发器，从而促进主蒸发器降温。

基于这种驱动方式，TTH公司在2003年研制成功 H2－ALHP1［5］，将一个由次蒸发器与次冷凝器组成的次回路并联到主环路的内部，为了实现对主蒸发器温度的精确控制，TTH使用了与主蒸发器连接一起的补偿器。2005年，对H2－ALHP1进行改进，在气体管线上安装了swing volume，研制成功了H2－ALHP2(如图6)，它能够将10 W冷量传递2.5 m［6］，并且这种设计方式的低温环路热管具有精确控制主蒸发器表面温度的能力。南京理工大学根据这种设计思路研制成功了使用氮为工质的低温环路热管［7］，分别测试了对次蒸发器施加15 W和20 W加热功率时低温环路热管的降温过程，其设计的液氮低温环路热管的最大传输能力为15 W。

图6 TTH公司研制的H2-ALHP2Fig.6 H2-ALHP2 designed by TTH corporation

美国Swales公司James Yun根据TTH公司的原始模型，取消了与主蒸发器相连的液体补偿器，设计了一款使用乙烷作为工质的低温环路热管(如图7)，并且在实验上取得成功［8］。法国 CEA－SBT(Commissariat àl’Energie Atomique－Service des Basses Températures)的P Gully依据swales公司乙烷低温环路热管的设计思路，使用并联的次蒸发器作为驱动措施，研制了使用氮作为工质的低温环路热管［9］，该液氮低温环路热管具有优异的冷量传递能力。

图7 James Yun设计的乙烷低温环路热管Fig.7 C2H6-CLHP designed by James Yun

根据以上的总结，在低温环路热管中，将次蒸发器与冷凝器串联或者并联进入环路热管，都已经被实验证明能够起到促进低温环路热管的启动、加快低温环路热管的主蒸发器降温的目的。

3 一种新的设计思路

本文中设计的低温环路热管见图8、图9，从串联次蒸发器与冷凝器的思路出发，使用了一种新的设计:取消次蒸发器，重新设计低温环路热管的冷凝器，将次蒸发器与冷凝器统一为一个部件。螺纹槽道被加入到冷凝器的设计中，其作用就相当于次蒸发器内部的毛细结构。当低温环路热管从常温开始降温时，冷凝器内部出现液态工质，并且浸润整个螺纹槽道，在冷凝器表面选取合适的位置布置加热片，加热冷凝器，使液态工质汽化，从而驱动流动路径前方的液态工质流向主蒸发器，加速主蒸发器温度降低。这样冷凝器兼有次蒸发器驱动工质流动的作用，次蒸发器在设计的低温环路热管中被完全取消。这种设计的另一个优点为:螺纹槽道是一种强化凝结措施［10］，可以提高冷凝器的凝结效率，减小冷凝器的尺寸和重量，从而实现低温环路热管的小型化。

图8 基于新型冷凝器的液氮低温环路热管Fig.8 Nitrogen CLHP using a novel condenser

图9 冷凝器内部细节模型图Fig.9 Layout of inner detail of condenser

4 实验结果

基于上述的设计思路，设计了工作在液氮温区的低温环路热管，其主要部件包括:冷凝器组件，补偿器、蒸发器、液体管线、气体管线与气库，使用高纯氮(体积分数99.999%)作为工质，实物照片参看图8所示，表1给出该低温环路热管主要的结构参数。

表1 低温环路热管各部分的参数Table 1 Parameter of CLHP

使用两块冷凝器串联到一起以提高冷凝器组件的最大冷却能力，加热片被粘贴到靠近气体管线的冷凝器上。低温环路热管管体部分被放置在φ500×800的真空室，使用液氮作为冷源。为减小系统漏热对低温环路热管的影响，管体外表面覆盖多层隔热材料。整个实验过程中真空度优于10－2Pa。气库放置在真空室的外面，并且气库与低温环路热管管体之间没有阀门。因此在整个实验测试过程中，实验的工况改变，气库与管体之间始终存在工质交换。另外考虑到液氮温区低温环路热管主要应用于空间低温制冷机的冷量传递，这就要求冷凝器添加的加热功率不宜过大，否则制冷机提供的冷量将主要被驱动功率所消耗。因此在实验中，当冷凝器降低到液氮温度后，只对冷凝器施加1 W加热功率用于驱动冷凝器内部的液体流向蒸发器。这些要求都是为了保证低温环路热管的实验环境尽可能接近未来的工作环境。低温环路热管被水平放置，图10所示为其表面PT100铂电阻的粘贴位置，P为使用压力传感器测量气库的压力变化。

图11为充装压力为4.35 MPa时低温环路热管的降温曲线，整个降温过程持续近5 000 s，冷凝器表面的驱动加热功率为1 W。在2 000 s左右，冷凝器降低到液氮温度，TC4的温度首先下降，开启冷凝器加热功率，之后TC7开始下降，TC4的温度首先下降然后在继续上升，从2 000 s到4 000 s，TC6、TC5、TC4先后迅速降低，加热片持续2 000 s;在4 500 s左右，TC4、TC5、TC6、TC7 都稳定在 100 K 左右，并持续 1 500 s。在8 000 s，TC4先迅速降低到液氮温度，之后TC5、TC6、TC7先后降低到液氮温度。

图10 低温环路热管PT100铂电阻的粘贴位置Fig.10 Model of N2-CLHP with PT100 location

图11 充装压力为4.35 MPa时CLHP的降温曲线Fig.11 Temperature decreasing curve of CLHP with filling pressure of 5.55 MPa

分析整个降温过程可以发现，在整个低温环路热管的温度降低到低于氮的临界温度后(126 K)，稳定了一段时间后，TC4的温度最先降低到液氮温区，之后TC5、TC6、TC7先后降低到液氮温度。说明该低温环路热管部件的特殊设计纠正了工质的流向，使液态工质先进入液体管线，工质按照设计的方向流动。说明低温环路热管的设计是成功的，设计的新型冷凝器能够在加热的情况下驱动内部的工质流向主蒸发器。而造成降温初始阶段逆流的原因是由于冷凝器表面加热片布置的位置太靠近气体管线。

图12为低温环路热管在充装压力为4.35 MPa时完整的工作曲线，由图可见，当加热蒸发器之后，TC5、TC6、TC7的温度开始上升，但是TC4始终低于TC5、TC6、TC7，表明在工作状态下液态工质通过液体管线进入蒸发器内部，工质的流动方向与设计方向一致。尽管整个低温环路热管在启动前的冷却过程中存在工质逆流的情况，但是由于低温环路热管各个部件的合理设计，确保了在正常工作的情况下，工质按照正确的方向流动。另外，由图可见，该低温环路热管的最高传输能力为6 W。

图12 充装压力为4.35 MPa时低温环路热管的工作曲线Fig.12 Working curve of CLHP with filling pressure of 4.35 MPa

5 结论

介绍了一种新的加速低温环路热管主蒸发器降温速率的驱动方式:取消次蒸发器这个部件，重新设计冷凝器，在冷凝器内部使用螺纹槽道使冷凝器具有次蒸发器的功能。加热冷凝器，驱动其内部工质流向蒸发器，提高蒸发器的降温速率，促进低温环路热管从常温启动。基于这种思路，设计了一台使用液氮为工质的低温环路热管样机，并且通过实验证实冷凝器的作用。

通过实验结果可以看到，当低温环路热管从常温环境中开始降温时，使用液氮作为冷源，在1 W驱动功率的作用下，总的降温时间为8 000 s，蒸发器和冷凝器达到液氮温度。

不足之处在于低温前的冷却过程中，存在工质逆流的情况。但是当温度降低到氮的临界温度以下时，低温环路热管能够自动纠正流向。

设计的冷凝器一方面可以保证冷凝器具有次蒸发器的功能，另一方面，螺纹槽道的引入，提高了冷凝器的凝结效率，减小了冷凝器的尺寸，这对以后实现低温环路热管的小型化具有巨大的意义。

本设计方法已经申请专利，专利申请号为:200910197303.6。

1 向艳超，侯增祺，张加迅.环路热管技术(LHP)的发展现状［J］.工程热物理学报，2004(4):144－146.

2 D Bugby，C Stouffer，T Davis，et al.Development of advanced cryogenic integration solutions［J］.Cryocooler 10，1999:677－678.

3 Dmitry Khrustalev.Cryogenic loop heat pipes as flexible thermal links for cryocoolers［J］.Cryocooler 12，2003:709－716.

4 莫 青，蔡京辉，梁惊涛，等.槽道热管在加快低温回路热管主蒸发器降温过程中作用的实验研究［J］.低温工程，2005(4):14－17.

5 Triem T Hoang，Tamara A O’Connell，Jentung Ku，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space－based ir sensor and detector cryocooling［C］.SPIE 11th cryogenic optical systems and instruments，2003，NO.AM03－AM125－4.

6 Triem T Hoang，Tamara A.O’Connell，et al.Performance demonstration of a hydrogen advanced loop heat pipe for 20－30K cryogenic of far infrared sensors［C］.SPIE 12th cryogenic optical systems and instruments，proceedings of SPIE，5904.

7 李 强，马 路，宣益民.低温环路热管(CLHP)的实验研究［J］.工程热物理学报，2010(1):122－125.

8 James Yun，Ed Kroliczek，Larry Crawford.Development of a cryogenic loop heat pipe(CLHP)for passive optical bench cooling applications［C］.32nd international conference on environmental systems，NO.2002－01－2507.

9 P Gully，M Qing，P Seyfert，et al.Nitrogen cryogenic loop heat pipe:results of a first prototype［J］.Cryocoolers 15，2009:525－531.

10 杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2006:312－313.