基于环路热管的冷却系统实验研究

周丽铭

（中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

随着大功率电力电子器件在高速铁路车辆中的应用，其对冷却技术的要求不断提高，而冷却系统的技术水平受制冷却方式的影响。因此，冷却方式的发展代表了轨道交通电力电子部件冷却技术的发展进程[1]。目前，和谐号系列高速电动车组牵引变流器冷却系统主要包括2 种形式：水冷却系统和常规热管(重力热管)冷却系统，两者均存在不足。对于水冷却系统，一方面单相对流的换热性能较差；另一方面，工质循环需要消耗额外的泵功，泵寿命和运行过程可能出现的泄漏是这种冷却方式的缺点。对于常规热管(重力热管)冷却系统，普通热管多为金属刚性体且内部存在气液逆流现象，对其布置方式及传热能力造成限制。尽管应用普通热管可以改善冷却系统工作性能，但对于大功率、结构复杂场合，其适用性将受到挑战。因此，研究用于电子器件的次新型高效换热技术具有重要意义。

作为一种新型热管，环路热管(Loop Heat Pipe，LHP)对传统热管进行了结构的改进与优化，如反向式蒸发器的应用、毛细结构的局部化设置及气液传输路径的分离等，其传热能力、传输距离及反重力工作性能均获得大幅提升。相较于传统热管等其他传热元件，LHP传热量大、传输距离远、控温精度高、反重力能力强，兼具结构紧凑、安装灵活方便、可自主工作等优势，是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一。本文将环路热管这一高效传热装置引入动车组牵引变流器冷却系统，并进行了原理样机系统实验研究，重点阐述环路热管的系统搭建及实验数据分析。

1 环路热管基本原理

环路热管一般包括蒸发器、储液器、蒸汽管线、冷凝器和液体管线[2]。环路热管系统工作原理如图1所示。

图1 环路热管系统原理

运行时，蒸发器内存在充足液态工质，蒸发器从牵引变流器功率模块吸收热量，热量经过蒸发器壳体，使毛细芯外缘液体工质从未饱和状态达到饱和状态，抵消过冷度并使液体汽化，产生的蒸汽从均匀分布在毛细芯体外侧的蒸汽槽道流入蒸汽管线，然后流入冷凝器，在冷凝器内充分冷却形成液体并过冷，经过液体管线，再通过一段液体引管，进入蒸发器充盈毛细芯，如此往复循环。为保证蒸发器始终存在液体，防止对毛细芯的供液不足，环路热管设置储液器。同时，如果工质充装时有少量不凝性气体存在，也会被收集在储液器内，防止对环路热管传热性能的影响。

总体而言，冷凝器与低温热沉连接降温冷凝，工质在冷凝器内液化变成液体，热沉系统与蒸发器连接，通过导热对蒸发器进行降温。当蒸发器内有液体生成并逐渐积累后，对蒸发器施加一定功率的热载荷使液态工质吸热汽化驱动回路内工质流动，然后进入冷凝器进一步降温达到过冷状态，回流液体经液体管线进入液体引管再入蒸发器毛细芯进行补给，依次循环形成稳定运行的回路系统，无需外加动力[3-4]。为了更清晰再现工质状态参数的变化，通过分析温度、压力的变化，可以详细了解工质在环路热管中的热力状态，如图2所示[5]。

图2 工质循环过程压力-温度变化

饱和蒸汽通过蒸汽槽道流出蒸发器进入蒸汽管线，在此过程中因与蒸发器内壁面的接触，蒸汽会有一定程度的过热及压力损失(见图2中2)。蒸汽通过蒸汽管线进入冷凝器，工质在蒸汽管线中会发生与周围环境的自然对流换热及流动过程中因摩擦引起的压力损失(见图2中3)。一般情况下，在冷凝器中，工质首先消除过热(见图2中4)，然后冷凝放热，逐渐由气液两相状态过渡到液相，并由此液体开始逐渐过冷(见图2中5)。因此，冷凝器一般可划分为3段：过热段、冷凝段和过冷段。无论是过热段、冷凝段还是过冷段都存在因摩擦引起的压力损失。在温降方面，工质经过过热段温度降低至冷凝温度，冷凝段温度变化很小可以忽略，而过冷段则必须考虑。过冷液体流出冷凝器进入液体管线，进而回流至储液器(见图2中6)。工质在液体管线中发生与周围环境的自然对流换热，并由于流动过程中的摩擦而引起压力损失。储液器一般处于饱和状态(见图2 中6a)，其主要作用是容纳回流的过冷液体，并向蒸发器内的毛细芯供液(见图2 中7)，补充受热蒸发的液体，使毛细芯一直处于被液体浸润状态。同时，当环路热管运行条件变化时，储液器中的气液分布也相应调整，容纳从冷凝器转移的液体或向冷凝器转移液体，具有适应功能，起到一定的缓冲作用，使系统运行状态随系统运行条件变化的敏感程度降低，有利于环路热管性能的稳定。图2中7至1的压力提升是毛细孔的毛细压力作用的结果。

2 实验系统搭建及参数

2.1 实验件介绍

在本实验中所用实验件为氨-不锈钢LHP，传输管线长度为2.2 m，蒸发器与冷凝器在同一水平面。实验中采用电阻丝对蒸发器加热，电阻丝直径0.3 mm、15.4 Ω/m，缠绕在蒸发器外侧，外接最高电压120 V、最大电流4A的可调直流电源，对蒸发器施加热载荷。

实验件包括蒸发器，冷凝器、传输管线、储液器，各部件基本参数如表1所示。

表1 LHP各部件基本参数

2.2 温度测点分布

实验中，为了判断LHP内工质的状态，主要对实验件特征点进行温度检测，使用热电偶测量温度，能够有效分析工质在该点的状态，进而判断回路内工质是否流动。实验中测点分布位置如图3所示。实验件的温度测点分布及其意义如表2所示。

图3 测点分布位置示意

3 实验结果与分析

3.1 启动特性

LHP的启动特性反应了LHP从闲置状态到工作的响应快慢，不同的启动载荷会影响LHP 能否正常工作。LHP能自启动并不意味着启动温升小，达到稳定状态时间短。启动时间及稳态温度的影响因素有很多，如储液器与蒸发器相对姿态、蒸发器内气液分布等。当储液器与蒸发器直接连接时，蒸发器向储液器漏热是不可避免的，回流液体经过储液器被加热，导致运行温度上升；而启动时毛细芯液体干道内存在气体，蒸汽槽道内存在液体是最难启动的情况，此时液体达到核态沸腾需要一定过热度，因而不易启动。同时，透过毛细芯的热量使液体芯内蒸发，出现逆运行情况，甚至出现毛细芯烧干现象。

在实际应用中，LHP在大载荷的情况(不超过传热极限)下更容易启动，因为毛细芯外侧液体能够迅速达到过热并开始核态沸腾，从而驱动工质在回路内流动。当LHP在小载荷时，因漏热等原因会导致LHP不能正常运行，或者运行时在蒸汽管线内传输时通过环境的散热发生冷凝，以至于冷凝器没有被有效利用，导致运行温度偏高。

启动载荷对LHP的启动也有较大的影响。当启动载荷较小时，热量通过毛细芯管套传入毛细芯内部，使浸润毛细芯的液体工质的温度略微上升(未达到饱和温度)，同时，热量通过导热的方式向储液器及蒸汽管线传热，导致毛细芯、储液器及蒸汽管线温度高于环境温度。此时，几乎所有热量通过自然对流的方式散走，导致毛细芯外侧液体温度不能达到饱和温度，启动失败。

表2 温度测点分布及其含义

当启动载荷较大时，热量经过毛细芯管套迅速使毛细芯外侧液体由过冷状态到达饱和且蒸发，当单位时间的冷凝量小于蒸发量时，会最终导致毛细芯内没有液体出现烧干现象，启动失败。因此，对LHP施加合理的启动载荷，才能保证LHP的正常运行。

3.1.1 启动载荷为20 W时的温升情况

启动载荷为20 W 时的温升图如图4 所示。从图4中可以看出，储液器、蒸发器及其出口、冷凝器入口温度均明显上升，并且稳定性、温度均匀性很好，传热温差不到3℃。说明当20 W热载荷施加时，毛细芯外侧液体从过冷状态，吸热达到饱和温度并开始沸腾，产生的蒸汽从蒸汽槽道流入蒸汽管线，推动工质流入冷凝器。此时，蒸发器为27℃，该温度是工质的饱和温度，可以看作LHP的运行温度。

图4 启动载荷为20 W

蒸汽在蒸汽管线内流动时，管外壁与空气通过自然对流的方式散热，产生的蒸汽约26.5℃，略低于27℃。同时，注意到冷凝器出口温度低于冷凝器入口温度，因而气液界面处于冷凝管线内某一段。所以，相对于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)动则上千瓦的热流密度而言，20 W是比较低的启动载荷，并且在此条件下，能够开始有效利用冷凝器的散热效果。

根据LHP运行原理，工质循环的动力由蒸发器毛细芯内弯月面产生的毛细压力ΔPcap提供，并满足[6]下式。

式中：ΔPtotal为系统总压降(包括摩擦压降和重力压降)，Pa。

ΔPcap的表达式为

式中：σ 为表面张力，N/m；；R为弯月面曲率半径，m；θ为接触角；r为毛细孔半径，m。

毛细压力具有自适应功能，即当系统总压降变化时，接触角θ将作相应调整，引起毛细压力发生变化，使得公式（1）保持成立。

在蒸发器和冷凝器位于同一水平面时，LHP系统的总压降为各部件中摩擦压降之和，系统压力平衡关系为

式中：ΔPvg为蒸汽槽道中的摩擦压降，Pa；ΔPvl为蒸汽管线中的摩擦压降，Pa；ΔPc为冷凝器中的摩擦压降，Pa；ΔPll为液体管线中的摩擦压降，Pa；ΔPw为毛细芯中的摩擦压降，Pa。

3.1.2 启动载荷为50 W时的温升情况

启动载荷50 W 时的温升情况如图5 所示。从图5中可以看出，热载荷刚开始施加，总体温度有上升趋势，但温度变化相对混乱，这与启动时LHP内部气液分布情况有关，特别是运输管线内，很有可能存在气相液相混合分布的情况，导致回流液体短时间内的流量不均匀，从而引起温升趋势混乱。但是，随着LHP内工质的流动，蒸汽管线内很快被蒸汽充满，经过冷凝后，气液界面存在于冷凝管线内某段，然后液体填充液体管线，使得回流液体质量流量恒定；随后，LHP各个特征点温度以平滑逐渐上升的趋势发展，最终达到稳定温度。50 W 启动时，蒸发器温度在35℃达到稳定，冷凝器温度为26℃，传热温差为9℃，稳定时间约为30 min。

3.1.3 启动载荷为100 W时的温升情况

启动载荷100 W时的温升情况如图6所示。从图6中可以看出，达到稳定的时间约为30 min，蒸发器稳定温度为33℃，冷凝器温度26℃，传热温差为7℃。

图5 启动载荷为50 W

图6 启动载荷为100 W

相较于50 W启动的运行温度，100 W运行温度更低一点，这是由于热载荷100 W的冷凝器利用程度大于热载荷为50 W 的利用程度；当热载荷变大时，质量流量随之增大，进入冷凝器的蒸汽量也增多，冷凝器逐渐被激活，两相区的长度增大，环路热管热导也逐渐增大，其工作温度不上升反而逐渐下降。因此，在0～100 W范围内，LHP处于可变热导工作区。

从图5 和图6 的启动过程中可以清晰看到，冷凝管线中点的温度首先上升继而下降，上升是由于LHP启动后短时间内蒸汽冲入冷凝器，过热蒸汽热量很快被冷凝器散走，从过热状态变成饱和气体，冷凝形成液体并且过冷，该点温度出现了上升又下降的情况。该现象可以辅助说明在100 W以内，LHP的冷凝器并没有被完全利用，使其处于可变热导区域。

可变热导区内的特征是冷凝器没有被完全激活和利用，而储液器处于气液两相状态。此时，由于蒸汽槽道、冷凝器两相区和储液器均处于气液共存的饱和状态，三者间的温差与压降遵循Clausis-Clapeyron 关系，而回路中的压降损失变化引起的饱和温差很小[7]。

从上述20 W、50 W、100 W启动过程对比分析可知，LHP在小载荷情况下仍能启动，温升不大，启动性能好；从启动到达稳定的时长为30 min左右，启动时长较短；热载荷至少为100 W，LHP 仍处于可变热导区域，冷凝器未被完全利用。

3.2 运行特性

LHP在顺利启动后，可能会面临毛细芯烧干导致失效的问题；可能会在高热流密度下温升过高，以至于达不到实际应用的要求；并且在不断变化的功率中不能继续保持温度稳定性。因此，需要对LHP的运行特性进行实验研究与分析，主要从LHP的传热极限功率循环突变及长时间运行的稳定性分析。

3.2.1 传热极限

传热极限用来表征LHP 能够传输的最大热载荷，是用来评价环路热管工作性能的一个重要指标。环路热管的最大传热能力受到声速限、粘性限、沸腾限、毛细限等制约；一般常温工况下，毛细限最先达到，因而常将毛细限作为环路热管的传热极限。对于常温工质而言，如水、丙酮、氨等，具有较大的潜热和表面张力，使常温环路热管的传热极限高达几百瓦甚至数千瓦。LHP传热极限的测试过程如图7所示。

图7 LHP传热极限测试

首先，对LHP施加100 W的热载荷启动，温度平衡在34℃附近，蒸发器温度波动最为剧烈，工质在毛细芯外表面不断吸热汽化，这是一个相变过程，不断的汽化吸热与过冷液体的补充导致蒸发器外壳温度急剧波动，在100 W的热载荷下，冷凝器出口温度与冷凝器温度相当，说明冷凝器还没有完全利用上。当热载荷增加至200 W时，冷凝器出口温度急剧上升，此时冷凝器内的气液两相区最长，冷凝器被充分利用，储液器则是液体含量最多的情况。

值得注意的一点，图7中热载荷为200 W情况下，在实验操作中，将冷凝器风扇出口对着储液器，以散走蒸发器向储液器的漏热，LHP 运行温度立即下降。因此，在实际工程应用过程中，为了消除或抑制蒸发器向储液器的漏热引起的温升，可以用冷源抵消漏热。当热载荷大于等于200 W 时，冷凝器被完全打开，LHP处于固定热导区，随着热载荷的增加，LHP运行温度随之递增，LHP通过自动改变储液器内液体含量来适应热载荷的增加。

此外，从图7中可以得出，当热载荷为320 W时，LHP运行温度为47℃，并且蒸发器的温度波动更加剧烈。冷凝器温度上升至接近38℃，从而散热量增大以平衡较大的热载荷。直到LHP热载荷功率过大，导致单位时间内，液体蒸发量大于回流液体冷凝量时，储液器对毛细芯供液不足，出现烧干现象；当热载荷为340 W 时，LHP 能稳定运行一段时间，随后蒸发器温度飙升，与此同时，冷凝器入口、出口温度急剧下降，说明LHP没有工质流动，即毛细芯烧干，LHP停止运行。这时出现了冷凝量小于蒸发量的现象，因为储液器内存在一定量的液体工质，一定时间内能不断对毛细芯供给液体，以平衡多余的蒸发量，使LHP始终保持着稳定运行状态，直到储液器内液体对毛细芯供液不足，电阻丝对蒸发器的加热不能及时散走，因而出现温度飙升的现象。因此，该LHP最大传热能力为320 W。

从理论计算分析，该LHP 的传热极限(毛细限)应在500 W以上。在本次实验中，LHP的传热极限明显偏小，一个可能的原因是工质充装量偏小(实验中观察到蒸汽直接冲出冷凝器)，最终由于系统内液体工质不足，而造成蒸发器毛细芯的烧干。

3.2.2 功率循环特性

LHP在实际运行中，热源功率在不断变化，如列车在启动和停车时，IGBT 模块的发热量不相同，因而有必要测试LHP在大功率和小功率突变时的响应性能。热载荷在50 W与200 W之间进行循环突变时的运行情况如图8所示。

图8 功率循环突变50～200 W

从图8中可以看到，当LHP从50 W突变到200 W时，LHP运行温度突然上升。这是由于蒸汽在蒸汽槽道内运输时，电阻丝通过壁面向蒸汽继续导热，蒸汽在流入蒸汽管线时具有一定过热度，以至于蒸发器出口温度最高。相对于蒸发器附近的温升而言，冷凝器入口、出口的温升较小，这是由于当传输距离较长(2.2 m)时，环境的对流换热效果较明显。同时可以看到，冷凝器出口温度陡升并稳定在37℃附近，这意味着冷凝器散热效果好，能被完全及时利用，不会因为气体质量流量的瞬间增加而来不及冷却，导致高温气体进入储液器，出现芯内蒸发，LHP倒流或烧干现象。

当热载荷由200 W 降低至50 W 时，LHP 能迅速回到稳定状态，响应迅速。此时，工质质量流量迅速减小，在冷凝器内气液两相长度缩小；冷凝器出口已是液体状态，未被有效利用。

3.2.3 长时间运行稳定性

LHP作为一种可靠性高、基本不需要维修的高效传热元件，在实际应用中可能出现长时间输出功率的热源，有必要对LHP 进行长时间稳定运行能力测试。启动载荷为100 W、稳定运行时间长达近300 min 的运行情况如图9 所示。从图9 中可以看到蒸发器温度维持在38℃附近，温度波动较为明显，冷凝器出口温度与冷凝器温度相近，冷凝器处于未被完全利用状态。在持续运行300 min 后，温度依然保持恒定，具有很好的长时间工作稳定性。尽管某些特征点温度小幅波动明显，但LHP依然能维持稳定，可以预测，在LHP达到稳态、外界条件不发生变化的条件下，LHP理论上能够运行长时间。

图9 LHP稳定运行300 min

4 结论

对LHP 的传热特性进行了较为全面的实验测试。通过实验可以得出以下结论。

（1）LHP能在较大热载荷范围顺利启动，迅速达到稳定，使LHP处于较低的运行温度。小载荷能顺利启动并稳态运行，说明本套LHP设计合理，冷凝器能在小载荷情况下充分利用。

（2）LHP 在工质充装量为120 g 情况下，传热极限为320 W，此时运行温度为45℃左右；在100 W 以内处于可变热导区域，冷凝器并没有被完全利用；大于150 W时，LHP处于固定热导区域，能够充分利用冷凝器的散热效果。

（3）当热源功率循环突变时，LHP均能迅速响应外界的变化，LHP能在可变热导与固定热导区之间连续变化的情况下快速达到稳定。

（4）LHP在长时间施加热载荷的情况下，能够正常运行并保持稳定，具有应用前景。