毛细芯蒸发器启动和运行特性

李金旺 邹勇 程林

（南京电子技术研究所，南京210039） （山东大学，济南250061）

1 引言

环路热管 （Loop heat pipe，LHP）作为一种热控制设备，它能够在温度达到一定值后自行启动，将系统的温度控制在一定的范围之内。然而，在环路热管启动和运行过程中经常出现较大的温度波动，引起了大量学者的关注。

文献[1-8]都对环路热管启动和运行过程中的温度波动等特性进行了研究，但这些方面的研究还不够，这也是环路热管领域亟待解决的重要问题之一。由于环路热管是一个相对较为复杂的系统，其蒸发器输出的高温蒸气作为冷凝器的输入，冷凝器输出的液体工质又作为蒸发器的输入，中间过程中的相变、工质传输和热量传递等又与外界的热流情况、蒸发器、冷凝器及各有关管路等部件的参数有关，将环路热管作为一个整体、同时研究这些参数的影响是很难弄清各个因素的具体影响的。本文在环路热管开环的情况下 （没有连接蒸气管路）进行试验研究，巧妙地避开工质循环和冷凝器等方面带来的影响，专注于研究毛细芯孔隙率和热源功率对蒸发器启动和运行特性尤其是对温度波动的影响，通过开环热管与环路热管相比较，从而得出一些对环路热管有用的结论。

2 试验材料与方法

图1是一个典型的环路热管示意图，本文的试验在没有连接蒸气管路 （图1中虚线部分）和竖直放置的情况下进行研究的。

试验所用的毛细芯为烧结多孔镍芯，尺寸均相同，即外径为14mm，长度为22mm，内部液体干道直径和长度分别为6mm和16mm，毛细芯的孔隙率在68%～78%之间，有效导热系数在2.2～3.2W／（m·K），平均孔径在0.82～0.88μm[9-10]。

工作液体为丙酮，充装量均为8g。蒸发器、储液器和相应的液体管路均为紫铜管，管径分别为14mm，14mm，4mm，壁厚均为2mm。

加热方式采用电阻丝加热，功率分别采用4～16W。试验测试蒸发器的温度变化情况，蒸发器的温度取同一线上中部、上部和下部三处的平均值。温度采用热电偶测量，数据使用FLUKE 2640A及其配套软件进行采集和处理。

3 结果与讨论

3.1 蒸发器典型的启动和运行过程

美国宇航局的Ku指出LHP的启动是其运行过程中最复杂的瞬态现象，LHP启动时其蒸发器内有多种气液分布：蒸气通道充满蒸气；蒸气通道充满液体；液体通道充满液体；液体通道充满蒸气[11]。张红星等人通过对LHP进行不同方位和不同时间的放置实现对LHP在不同初始汽液分布情况进行试验研究[12]。但密封后的LHP的内部是相关复杂的，其内部初始气液分布可能并不那么容易确定，本文对液体通道和蒸发器内的蒸气通道均充满液体的情况 （这种情况在没有连接蒸气管路时容易实现）进行试验研究，得到蒸发器典型的温度变化过程如图2所示。蒸发器受到加热后，工质吸收热量的情况在不同阶段会有所不同，因而蒸发器的温度变化也会有所不同。以一定的功率对蒸发器进行加热，开始时温度较低 （低于工质的饱和温度），工质虽然吸收热量，但十分有限，因此蒸发器的温度上升较快，这一过程如图2中A阶段所示。随着温度的上升，直到达到工作液体的饱和温度，工作液体开始发生相变，从而可以带走大量的热量，在蒸发带走热量的速度与加热的速度相当时，蒸发器的温度维持在一定值而不再上升，这一过程如图2中B阶段所示。毛细芯蒸发端的工作液体不断蒸发后，需要毛细芯不断从储液器抽吸工质来补充，抽吸的速度受到诸多因素的制约，当其抽吸补充的速度跟不上所需的蒸发的速度时，蒸发速率变慢，从而不再能和加热的速率平衡，从而导致蒸发器的温度再次上升，这一过程如图2中C阶段所示，这与环路热管蒸干现象是相关的，蒸干现象发生后将导致环路热管运行失败。上述开环系统的启动和运行情况与环路热管的情况是极为相似的，两者的主要区别在于，环路热管的工质要循环起来，掺杂了工质充装量、初始气液分布、冷凝器参数等方面的影响，而开环的系统则避开了这些因素的干扰，从而可以达到专注研究毛细芯孔隙率和热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响的目的。

图2 蒸发器典型的温度变化过程Fig.2 Typical temperature change of the evaporator

3.2 热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响

本文进行了不同热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响的试验研究。该试验使用相同的蒸发器（毛细芯的孔隙率为68.8%），依次采用4W、8W、12W和16W的功率对蒸发器进行加热，结果如图3所示。从图中可以看出，当热源功率较小时（4W），蒸发器温度上升较缓慢，并能稳定在较低的温度值；随着热源功率的增大 （8W和12W），蒸发器温度上升的速度增大，达到平衡的温度值也随之增大，稳定的时间却随之减少；当热源功率超过一定值时 （大于16W），蒸发器的温度基本不再出现明显的平衡段，温度基本一直在上升，这意味着该蒸发器将不能用于产生热量大于16W的场合，否则无法达到温度控制的效果。

3.3 毛细芯孔隙率对蒸发器启动和运行特性的影响

本文进行了不同毛细芯孔隙率对蒸发器启动和运行特性的影响的试验研究。采用8W的功率依次对毛细芯孔隙率ε为68.8%、74.5%和78.4%的蒸发器进行加热，试验结果如图4所示。从图中可以看出，当孔隙率为68.8%时，蒸发器运行过程中能达到一段明显的平衡；当孔隙率增大到74.5%时，平衡段完全消失；当孔隙率继续增大到78.4%时，不但平衡段完全消失，还出现了明显的温度波动。此温度波动虽然不同于通常所说的LHP中的 “温度波动现象”，但两者也是有一定联系的，本研究中的温度波动持续时间较短，当具备一定条件时 （如连接上蒸气管路并符合其他条件），它可能延变为持续的、周期性的温度波动，从而成为通常所说的LHP中的 “温度波动现象”。从图4中还可以看出，毛细芯孔隙率为78.4%的情况中的温度也要比孔隙率为74.5%时的情况要低一些，这是由于前者蒸发较为剧烈造成的。由此可见，使用孔隙率过大的毛细芯会增大出现温度波动的可能性，从而影响系统控温的稳定性。

图3 热源功率对蒸发器运行特性的影响Fig.3 Effect of heat source power on operating characteristic of the evaporator

3.4 热源功率和毛细芯孔隙率对蒸发器启动和运行特性的综合影响

本文对不同热源功率和不同毛细芯孔隙率的蒸发器均进行试验研究，毛细芯的孔隙率采用68.8%、74.5%和78.4%，对以上3个孔隙率值对应的毛细芯蒸发器分别采用4W、8W、12W和16W的热源功率进行加热，试验结果分别如图3、图5和图6所示。从这些图中可以看出，随着孔隙率的增大，产生温度波动所需的热源功率越小；孔隙率相同时，热源功率越大，越容易出现温度波动，并且温度波动的程度越剧烈。例如，在孔隙率为68.8%时（见图3），热源功率为4～16W均未出现明显的温度波动；但当孔隙率增大到74.5%时（见图5），热源功率为4W及8W时均未出现温度波动，但热源功率为12W及16W时均出现了温度波动，并且热源功率为16W时温度波动的情况比热源功率为12W的情况要剧烈；当孔隙率增大到78.4%时（见图6），热源功率在8W时就已出现明显的温度波动，并且热源功率越大，温度波动的程度越剧烈。

环路热管是利用工质相变来传输热量的，毛细芯一边蒸发工质，一边抽吸工质，它们的速率是受毛细芯参数和热源功率等条件的影响的。当热源功率越大时，蒸发的速率必须达到相应的值才能使温度不上升，蒸发的速率越大，抽吸的速率也必须跟得上才行，而毛细芯的孔隙率越大，抽吸工质的流量才能越大。热源功率越大，迫使蒸发或抽吸越剧烈，这显然会加大波动的可能性。前期的研究结果表明，毛细芯抽吸工质是按指数增长规律进行的，其时间常数与孔隙率成反比[13]。孔隙率越小，时间常数越大，抽吸工质越平稳，因而越不容易发生波动。由以上分析可知，热源功率和毛细芯孔隙率等参数不匹配，工质蒸发带走的热流量与热源产生的热流量不能相平衡，从而造成蒸发器的温度剧烈波动。因此，在设计环路热管时需要综合衡量以上这些因素。

图4 毛细芯孔隙率对蒸发器运行特性的影响Fig.4 Effect of capillary wick porosity on operating characteristic of the evaporator

图5 孔隙率为74.5%时的情况Fig.5 The case for porosity was 74.5%

图6 孔隙率为78.4%时的情况Fig.6 The case for porosity was 78.4%

4 结束语

本文通过对环路热管在开环的情况下进行试验研究，巧妙地避开工质循环和冷凝器等带来的影响，专注研究毛细芯孔隙率和热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响，结果表明：在某些条件下，毛细芯蒸发器启动时其温度会出现剧烈的波动；毛细芯孔隙率越大，产生温度波动所对应的热源功率越小；毛细芯相同时，热源功率越大，越容易出现温度波动，并且温度波动的程度越剧烈。温度波动的原因是热源功率和毛细芯孔隙率等参数不匹配。

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