微通道冷凝器低温回路热管的实验研究

陈跃勇 芮骥才 韩娜丽 董德平

(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 100039)

微通道冷凝器低温回路热管的实验研究

陈跃勇1,2芮骥才1,2韩娜丽1,2董德平1

(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 100039)

设计了一套以乙烷作为工质，使用微通道冷凝器的低温回路热管原理样机，并对样机的降温过程、传热性能以及再启动特性进行了实验研究。结果表明:在5 W的驱动功率下该低温回路热管可实现快速降温，在降温过程中通过增大蒸发器的加热功率可以加速回路热管的降温;该样机可以在200 K时能够稳定传输50 W的热量，并且随着加热功率的增大，回路热管的热阻不断减小;在回路热管停止工作后，重新施加热量，该样机仍能够正常启动;该样机在本实验中的最大传热功率为54 W，此时的热阻为0.46 K/W。

微通道 冷凝器 回路热管 低温 乙烷

1 引 言

回路热管是一种利用工质在蒸发器内的毛细芯表面吸收热量蒸发产生毛细力驱动工质流动，在冷凝器中冷凝释放热量的高效两相传热设备。回路热管传热能力强、效率高、无运动部件及传输距离远等优点。随着空间探测技术的快速发展，探测器阵列由线阵向面阵发展，尤其是大光学焦平面的应用，空间载荷所需要的冷量也越来越大，同时光学焦面对制冷机的振动比较敏感，因此需要大冷量的低温回路热管将制冷机产生的冷量传输到光学载荷[1]。然而传统的回路热管所使用的冷凝器为蛇形盘管式结构，该种冷凝器重量重、体积大、热阻高且效率低，因而在空间应用中受到限制。中国科院理化技术研究所赵雅楠[2]以及上海技术物理研究所刘成志[3]等均进行了新型冷凝器低温回路热管的研究。近些年来，由于微通道换热器通道小、效率高的优点，广泛应用于高热流密度的电子设备散热[4]。为满足大冷量、轻量、高效的冷量传输需求，设计了一套使用微通道冷凝器的低温回路热管样机CLHP1并进行了性能试验。

2 实验装置

2.1 微通道冷凝器

通常对于水力直径小于1 mm的换热器成为微通道换热器，且通道的结构形状有矩形、圆形、三角形和梯形之分[5]。对于用于回路热管冷凝器结构的微通道冷凝器，本设计采用在紫铜板刻槽然后真空钎焊成一个整体的工艺，如图1所示为设计的矩形微通道冷凝器结构示意图。定义Hc为微通道的高度，Wc为微通道的宽度，Lc为微通道的长度，δ为两通道之间的肋厚，Wf为2个换热单元之间的壁厚，由6个微通道组成1个换热单元，n为换热单元数。微通道冷凝器结构尺寸见表1。

图1 微通道冷凝器结构图Fig.1 Model of microchannels condenser

表1 微通道结构尺寸Table 1 Demensions of microchannel structure

2.2 实验系统

图2为CLHP1样机基本结构及测点分布图，样机蒸发器壳体、补偿器、气体管线和液体管线均为不锈钢材质，毛细芯成分为镍粉，最大孔径1.3 μm，孔隙率为0.48。实验中使用的工质为纯度>99.99%的乙烷，充装量为10 g。整个实验过程在真空罐中进行。

图2 CLHP1结构及温度测点示意图Fig.2 Scheme of tested CLHP1

3 实验结果及讨论

3.1 系统降温特性

本实验中由于使用的工质是乙烷，乙烷的临界温度为305 K， 临界压力为4.87 MPa，因此在常温状态下，CLHP1内的乙烷处于两相状态，因而在常温状态下对蒸发器施加热量就可以驱动工质在回路内循环，如图3所示为CLHP1的降温曲线。在真空度达到3×10-3Pa后，11：00向冷源通液氮开始降温，冷凝器温度点T7、T8温度迅速降低，而蒸发器、补偿室、气体管线和液体管线均在常温。在冷凝器温度低于230 K后，12：15对蒸发器施加5 W的功率，液体管线靠近冷凝器端的温度点T9迅速降低，随后T10也快速下降，在此过程中蒸发器、补偿器气体管线温度先上升，然后T1、T2、T3、T4、T5、T6点温度也迅速降低，随着气体管线温度的降低，漏热对气体管线的影响也越来越大，靠近充气管线的T6点温度最高。在12:40后，蒸发端降温速率降低，这是因为随着冷凝液的增多，回路内的压力损失也增大，而驱动力相对较小，此后不断增加施加的功率10 W—15 W—20 W，13:54蒸发器温度补偿器温度稳定在198 K左右，降温过程完成。

表2 CLHP1各部件结构参数表Table 2 Parameters of CLHP1

图3 CLHP1降温曲线Fig.3 Temperature decreasing curve of CLHP1

3.2 系统传热特性

图4所示为CLHP1的传热性能曲线，实验中蒸发器上施加的功率为25 W/30 W/36 W/40 W/45 W/50 W。实验过程为：13:55蒸发器上施加25 W的功率，由于冷端温度的变化，冷凝器、液体管线温度上升，蒸发器温度由198 K上升至201 K，在冷端温度下降后，随着冷凝器、液体管线温度下降，蒸发器温度降至200 K并稳定。15:20蒸发器施加功率增加为30 W，蒸发器温度稍微上升并稳定在201 K。16:00蒸发器功率变为36 W，蒸发器温度略微上升并稳定在203 K。16:40蒸发器上的功率增加到40 W，冷凝器温度、液体管线温度随液氮温度有较大幅度变化，蒸发器温度上升到205 K后降至204 K并稳定传热。17:50蒸发器施加45 W功率，蒸发器温度上升到206 K。18:30蒸发器上的功率改变至50 W，由于液氮供应不足，冷凝器温度先缓慢上升后快速上升至180 K，蒸发器温度缓慢上升到209 K。在整个性能试验阶段，CLHP1的传热热阻不断减小，如图5所示。

图4 CLHP1 温度随功率变化曲线Fig.4 Temperature profile with different power of CLHP1

图5 CLHP1热阻随功率变化图Fig.5 Thermal resistance with different power of CLHP1

3.3 系统再启动特性

在性能实验完成后，19:05关闭蒸发器上的加热，从图6可以看出，蒸发器温度先下降后上升，这是因为停止加热后，蒸发器内部的漏热降低，而后环境漏热的影响使得蒸发器、补偿器温度上升。而液体管线、气体管线由于本身热容下，环境漏热影响较大，其温度均迅速升高。20:25开始对CLHP1停止再启动性能实验研究，先对蒸发器施加4 W的小热流，从图中温度曲线可以看出，蒸发器温度变化很小，但是气体管线温度明显下降。为研究降温过程中20 W功率和再启动过程中20 W的功率对CLHP1的影响，20:35将蒸发器上施加的功率增大至20 W，可以看到蒸发器温度先迅速上升，随后迅速下降并稳定在199 K。这是因为加热功率突然增大，工质在毛细芯表面迅速蒸发，蒸发器表面温度迅速升高，而后产生的大量蒸汽沿气体管路推动冷凝器中的过冷液经液体管路进入蒸发器和补偿室中，冷凝器温度迅速下降。21:50对蒸发器施加54 W的加热功率，从图8曲线中可以看出，CLHP1各部件温度均升高，冷凝器温度升至188 K时蒸发器温度稳定在213 K，此时CLHP1的传热热阻为0.46 K/W。

图6 CLHP1再启动性能Fig.6 Restart-up ability of CLHP1

4 结 论

通过自行研制的使用微通道换热器作为冷凝器的乙烷低温回路热管CLHP1，对CLHP1的降温过程、传热特性以及再启动性能进行了实验研究。主要结论如下：

(1)该冷凝器整体尺寸为45 mm×45 mm×6 mm，换热面积小，换热量大，换热效率高。

(2)该样机能在低温和常温状态下正常启动，通过在蒸发器上施加较小的功率就能够实现CLHP1的快速降温，且在低温状态下能够在停止加热后实现再启动。

(3)该样机可以传输54 W的热量，此时的热阻为0.46 K/W。

1 杨 帆，董德平.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[J].低温工程，2011(3)：34-38.

Yan Fan, Dong Deping.A novel method accelerating temperature decreasing speed of main evaporator and experiment result[J]. Cryogenics,2011(3):34-38.

2 Zhao Ya’nan, Yan Tao, Liang Jingtao.Experimental study on a cryogenic loop heat pipe with heat capacity[J].Int. J. Heat and Mass Transfer,2011,54：3304-3308.

3 刘成志，董德平，杨 帆.乙烷温区低温环路热管设计与实验[J].低温工程，2011(6)：57-59.

Liu, Chengzhi, Dong Deping, Yan Fan.Design and experimental investigations of ethane cryogenic loop heat pipe. Cryogenics,2011(6): 57-59.

4 骆广生，王玉军，吕阳成,译.微反应器—现代化学中的新技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

Translated by Luo Guangsheng, Wang Yujun, LüYangcheng. Microreactors:New Technology for Modern Chemistry[M].Beijing Chemical Industry Press,2004.

5 王卫东，贾建援，李萌萌.一种微通道换热器的设计与分析[J].MEMS器件与技术,2005(5):227-232.

Wang Weidong, JiaJianyuan, Li Mengmeng. Design and Analysis on a Microchannel Heat Exchanger[J]. MEMS Device & Technology,2005(5):227-232.

Experiment study on a cryogenic loop heat pipe with a microchannel condenser

Chen Yueyong1,2Rui Jicai1,2Han Nali1,2Dong Deping1

(1Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083,China) (2University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

A cryogenic loop heat pipe (CLHP) with a microchannel condenser is designed with which the cool-down process, heat transfer ability and restart ability are studied by experiments.Ethane is used as the working fluid. The experiment results show that the prototype can cool down with 5 watts applied on evaporator, and the larger heat load applied, the sooner temperature drops. Heat transfer of the CLHP is 50 watts heat at 200 K, and thermal resistance decrease with the increase of the heat load. With a heat load applied on the evaporator, this prototype re-startup after shut down. The prototype achieves a maximum heat transfer capacity of 54 watts with a thermal resistance of 0.46 K/W.

microchannel； condenser； loop heat pipe cryogenic ethane

2015-12-25；

2016-02-19

男，27岁，博士研究生。

TB65,TB66

A

1000-6516(2016)01-0043-04