环路热管工作特性实验研究

张亚海

摘 要：该文针对氨-不锈钢环路热管，基于离心机系统搭建了工作性能实验平台，进行了地面以及过载条件下不同布置方式、不同加热功率时工作性能实验。实验中观察到了环路热管的各部件温度随时间的变化情况，深入了解了环路热管在过载加速度场中运行的规律。

关键词：环路热管 运行特性 过载加速度

中图分类号：TB131 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（a）-0043-02

环路热管（Loop Heat Pipe）具有传输热量大、传输距离远、传热效率高、反重能力强等诸多优点，能够解决飞机高热流密度电子设备散热问题。但是飞机、导弹等飞行器及其上的电子设备热控装置需要承受来自各个方向、不同大小加速度载荷，这种过载加速度将导致两相流体传热特性较地面设备都发生很大变化。

国际上对于环路热管的研究已广泛应用于空间技术、电子设备冷却等领域[1]。国内关于环路热管的研究开始于20世纪末，到目前为止国内学者进行了实验研究、数值模拟等大量工作，取得了一定成果[2-3]。但环路热管过载加速度场中的运行特性研究却报道很少。该文通过模拟过载加速度环境研究环路热管的工作性能。

1 实验系统

1.1 实验原理

过载环境采用离心机模拟。实验采用将LHP、冷板散热器封装在工装箱体内安装在离心机上的方案，而将水冷系统的泵、恒温水槽、流量计等放置在地面。过载条件下环路热管工作特性实验系统原理图如图1所示。整个实验系统包括：LHP系统、水循环与冷却系统、加热与控制系统、数据测量与采集系统4部分。

1.2 实验件

实验用LHP为氨-不锈钢双储液器环路热管，其蒸发器和储液器的详细结构如图2所示。毛细芯材料为镍粉，蒸气、液体管线和冷凝器管线均为不锈钢圆管，冷凝器为焊接在紫铜板上的蛇形管道。

1.3 布置方式

LHP的布置方式如图3、图4所示，图中箭头所示方向为加速度方向。

1.4 测温点布置

热电偶TC在管路上的测点分布如图5所示，TC1、TC4布置在储液器1、2上，TC2、TC3布置在蒸发器表面，TC5、TC6、TC7布置在液体管线上，TC8、TC9、TC10、TC11布置在蛇形管上。TC12、TC13为蒸气管线测点。

2 实验结果与分析

2.1 无过载条件下LHP传热性能

图6给出了25 W无过载条件的温度变化。可以看出，在25 W无过载条件下，LHP启动后，蒸发器工作温度不超过33 ℃，储液器1的温度高于储液器2的温度。

2.2 布置方式1传热性能

该布置方式下，旋转台旋转方向与毛细力方向相反。实验加热功率为150 W，过载加速度大小为3 g。LHP传热性能测试结果如图7所示。可以看出，在实验条件下LHP在3 250 s时刻未能到达稳定状态，但是蒸发器表面温度最大不超过35 ℃。储液器1的温度高于储液器2的温度。

2.3 布置方式2传热性能

该布置方式下，冷凝器靠近旋转轴，热管远离旋转轴。实验加热功率为150 W，过载加速度大小为3 g并维持3 000 s。LHP传热性能测试结果如图8所示。可以看出，在该布置方式下，热管未能启动。随着时间的增加，蒸发器、蒸气管线、储液器温度均增大，在整个过载作用过程中，蒸发器表面的温度最大不超过33 ℃。卸载后（离心机停转），蒸发器、蒸气管线、储液器温度均迅速增大，在3 600 s时蒸发器最高温度达到41 ℃。

3 结语

环路热管在过载加速度环境下的传热性能和工作特性与地面上相比有较大不同，实验研究可看出加热功率、加速度、大小和方向都会影响环路热管的工作状态。

参考文献

[1] YF Maydanik.Loop heat pipes[J].Applied Thermal Engineering，2005，25（5-6）：635-657.

[2] J Ku，L Ottenstein，M Kobel，et al.Temperature fluctuations in loop heat pipe operation[J].Aip Conference，2001，552（1）：255-262.

[3] AJ Fleming，SK Thomas，kL Yerkes，et al.Titanium-water loop heat pipe operating characteristics under standard and elevated acceleration fields[J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer，2010，24（1）：184-198.