负压式平板型环路热管试验.pdf

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1、2011年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology65负压式平板型环路热管试验陈彬彬刘伟刘志春李欢杨金国(华中科技大学能源与动力工程学院，武汉430074)摘要为解决高热流密度电子器件的散热问题，设计了一套负压式铜一甲醇环路热管，其蒸发器设计成平板型。研究表明，该平板型环路热管具有较高的散热能力，能够在无重力姿态和重力姿态下顺利启动。当重力倾角分别为O。、18。和30。，热负荷为160W时，蒸发器壁面温度分别达到85．8℃、66．3℃和64．6℃。按照环路热管启动状态，其启动过程可分为3个阶段：加热阶段、预

2、启动阶段和后启动阶段。在低热负荷区域，环路热管会出现温度波动现象。增大重力倾角，有利于降低蒸发器壁面温度和热阻。当重力倾角为30。，热负荷从10w递增到160w时，环路热管的热阻从4．97℃／W降低到O．39℃／w。关键词环路热管平板型启动变热负荷温度波动蒸发器DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2011．06．0101引言为解决空间站电子器件微型化带来的高热流散热问题，一种低功耗、高传热能力的散热装置——环路热管(LoopHeatPipe，LHP)引起了众多研究者的关注。LHP是一种利用工质在蒸发器内蒸发和在冷凝器内冷凝，两相相变来传

3、递热量的新型高效传热装置。与传统传热装置相比，LHP具有无需外加动力，传热能力强，传输距离长，管路布置灵活方便等优点。为适应热源的安装要求，蒸发器结构设计成平板型，这样更有利于与热源的贴合。另外，从场协同的观点来看，平板型LHP蒸发器内的温度梯度和工质的流动速度夹角较小，具有较强的传热能力优势¨J。与圆柱型LHP相比，平板型LHP安装时不需要底座，有利于减轻太空热控元件的质量[2]。文献[3—7]针对平板型LHP，完成不同蒸发器设计、毛细芯结构、充灌率以及工质的试验测试，研究其启动特性、变热负荷运行特性以及控温性能等。由于平板型蒸发器独特的结构，其侧壁导热和

4、背向导热现象严重，系统启动困难。本文设计一种铜一甲醇平板型LHP，改进蒸发器结构，降低向蒸发器的漏热，研究其启动和变热负荷等运行特性。2试验系统LHP由蒸发器、蒸气管道、冷凝器、液体管道和补偿腔共5部分组成，如图1所示。工质在蒸发器内吸收热量汽化，通过蒸气管道流入冷凝器，释放出热量变成液体。在毛细力、重力和相变力等驱动力的作用下‘8。，液态工质通过液体管道l廿J流到补偿腔内，补给蒸发器汽化所需量，形成一个循环。蒸发器是整个系统的核心部件，其结构好坏决定系统传热的优劣凹]，本文设计的蒸发器结国家自然科学基金(50876035，50906026)资助项目收稿日期

5、；2011—02—23。收修改稿日期：201卜04—1166中国空间科学技术2011年12月构如图2所示。为减小侧壁导热效应，蒸发器壁厚om，、-7：ot世都设计成2mm，并采用导热系数较低的黄铜材料制作而成。多孔毛细芯由630目不锈钢丝网线切割加工而成，空隙率可达60．2％。毛细芯厚度为4mm，由于不锈钢较低的导热系数，可有效减弱背向导热效应。冷凝器采用套管式，冷媒冷凝温度最低可达到一10℃。试验工质为甲醇，纯度达到99．5％。为减小不凝性气体对环路热管运行的影响，系统在充灌前抽真空，在系统压力降到1×10-3Pa时进行充灌，充灌后系统内部压力低于环境压力

6、。工质充灌率定义为口一V．／、，川，V-为充灌量，即充人工质的体积；V。训为整个LHP的空腔体积，本试验充灌率约为70％。测量系统采用T型热电偶布置温度测点，热电偶标定后的误差为土o．2℃，各测点布置位置如图1所示。热电偶T。，～T一贴在加热器表面，测量蒸发器壁面温度，T。。～T曲测量补偿腔温度，T。。测量蒸发器出口温度，T。。。测量冷凝器进口温度，雁『。：。玉“—∥∥馨甄TⅢ测量冷凝器出口温度，Tm测量蒸发器进口温度。试验中由3根90W的加热棒安装在直径为40mm的紫铜块上作为模拟热源，通过调节电压来改变加热棒的功率，实现不同热负荷的模拟。热源外层包裹10

7、mm厚导热系数为O．012w／(m·K)的纳米绝热材料，外层用锡箔纸包裹，减少热损失。试验测试表明，热损失误差低于o．5％。本试验通过改变冷凝器与水平地面的夹角p来实现不同重力高度，如图1所示。重力倾角p为O。时，蒸发器与冷凝器在同一水平位置。重力倾角臼为18。和30。时，冷凝器比蒸发器高约9cm和15cm。本文在不同的重力高度下，做了不同热负荷Q的启动和变负荷运行试验。3试验结果讨论3．1启动特性LHP的关键特性之一是启动特性，该特性是评定其可靠性和稳定性等性能优劣的重要依据。为保证LHP顺利启动运行，毛细芯必须完全浸润。启动初期，蒸发器内的工质过热，当蒸

8、发器内过热液体闪蒸为蒸气时，气侧压力突然上升。由于平