平板式环路热管性能的实验

张 先 锋

（中国电子科技集团第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

研究开发

平板式环路热管性能的实验

张 先 锋

（中国电子科技集团第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

针对一款基于并联式平板蒸发器的小型环路热管进行了实验研究，分析了冷凝器位置以及摆放方式对环路热管运行性能的影响。实验表明：该环路热管能在低功率（20 W）时各种摆放方式下顺利启动，并具有良好的工作性能，其最大热负荷达到130 W，此时热阻为0.21 ℃/W；该热管水平放置时，蒸汽管线长度越短，启动性能越好，最大热负荷越大；运行功率越大，蒸汽管线长度对运行性能的影响越明显。并联式平板环路热管具有很好的反重力特性，能够在各种竖直放置状态下正常运行；该环路热管竖直放置且储液器位于蒸发器下方时，系统的运行性能最好。

环路热管；平板式蒸发器；冷凝器；反重力性能；运行特性

随着科技的发展，大功率LED、红外探测阵列、大功率固体激光器、高性能微处理器等光电/微电子芯片（下文简称“芯片”）及其应用系统向着微型化及其集成化的趋势发展，导致狭小空间内产生了较高的热流密度，因此热管理成为其发展的一个关键问题。环路热管（loop heat pipe，LHP）作为一种新型高效的两相传热装置，具有传热效率高、传热距离远、结构布置灵活等特点，是解决上述问题的一种有效方案，其是传统热管技术的延伸，利用液体工质相变过程来完成热量传递和输送，在航天器的热管理和电子设备散热等方面已得到广泛关注和应用，显现了巨大的优势和发展前景[1-4]。

为满足高集成度、高热流密度电子设备的散热要求，环路热管向着微小型化的趋势发展，这是当前环路热管的重要发展方向。环路热管在微小型化过程中出现了3种结构的蒸发器，分别为圆柱型、串联式平板型和并联式平板型。圆柱型蒸发器是通过缩小大型环路热管的尺寸得到的[1]，需要和马鞍型导热块配合才能完成电子设备的热控，接触热阻较大，传热效率低，不便于封装。为此，研究者们设计了后两种平板型蒸发器，其传热效率相对较高，且便于电子装置的封装等[3]。它们差别在于储液器布置方式不同。其中串联式平板蒸发器的储液器位于蒸发器的厚度（纵向）方向上[2-6]，其可以有效利用重力作用将液体工质回流到毛细芯中，但其厚度（10 mm以上）相对较大，对摆放方式有一定要求，即储液器不能位于蒸发芯下方，使用范围受到限制；而在并联式平板蒸发器中，储液器位于蒸发器的横向方向上，厚度相对较小，一般小于10 mm，更适合狭小空间下的应用，且具有很好的反重力特性[7-9]。针对串联式平板型环路，盖东兴[3]、Singh等[4]、莫冬传等[5]、周海迎[6]开展了系统化的研究，分析了该类型热管的启动及运行性能、反重力特性、温度脉动等问题。由于受到蒸发器结构的限制，储液器和蒸发芯相对位置的影响研究不够全面。针对并联式平板环路热管，Wang等[7-8]尝试将其应用到GPU的冷却，并开展了相应的性能研究和理论分析。Becker等[9]研究了环路热管的运行特性，仅考察了冷凝器和蒸发器相对位置固定时反重力的性能，而储液器和蒸发芯相对位置的影响也考虑不足。

综上所述，作为一种新型热管，并联式平板环路热管已开展了一定的研究，但对该热管的结构以及运行特性等研究不足。为此，本文作者针对一款基于并联式蒸发器的小型环路热管开展了详细的实验研究，通过改变冷凝器位置以及摆放方式，系统地分析该环路热管的运行特性和反重力特性。

1 实验系统简介

图1为实验中所使用环路热管的结构示意图，包括蒸发器、储液室、蒸汽管线、液体管线和冷凝器5个主要部分，蒸发器的截面图如图1(b)所示，其中蒸发器包含有蒸发芯、蒸汽槽道以及储液器，储液器位于蒸发芯的长度方向上，蒸发芯是由 120目的铜粉烧结而成。在蒸发芯的表面，有12个蒸汽槽道，用于蒸汽的流动。蒸汽和液体管线均为紫铜圆管，外径和内径分别为3 mm和2.4 mm。使用恒温水槽来冷却环路热管的冷凝部分，为了研究冷凝

器位置的影响状况，实验中冷凝器分别位于两个位置，如图 1(a)所示。位置 1距离储液器相对较近，位置2位于位置1的右侧10 cm处。采用水作为工作介质，充液量为（11±0.5）g，相应的充液率约为55%。实验所测环路热管的详细结构参数如表1所示。

图1 环路热管示意图

表1 环路热管结构参数

图2为实验测试系统和相应热电偶的位置。实验中使用加热块来模拟热源，通过直流稳压电源（0～35 V，20 A）来调节供应给蒸发器的热量，在加热块和蒸发器之间涂抹导热硅胶，以减少接触热阻。使用可控温的恒温水槽来模拟不同温度的热沉。系统中布置了9个OMEGA公司生产的标准K型热电偶（测量精度为±0.5 ℃，最大测量误差为2.5%），位置如图 2所示。使用安捷伦数据采集仪（Agilent 34970A）来记录环路热管各个特征点的温度变化过程，记录和保存数据的周期为2 s。根据热电偶、加热模块的测试精度，系统热阻的最大测量误差为6%，实验中使用恒温水槽来冷却冷凝部分，冷凝水温度为 25 ℃。测试过程中环境温度为（25±2）℃。对于电子元器件，为了保证工作的可靠性和稳定性，一般要求工作温度低于100 ℃。在本文中当环路热管的运行温度为（100±3）℃时的功率即为最大热负荷（Qmax），此时热管并未出现烧干现象，仍可继续工作。

图2 实验测试系统及热电偶位置

2 结果与讨论

在环路热管中，冷凝器位置的改变将造成系统管线中汽液分布存在很大差异，这将造成工质在系统内流动阻力发生变化，影响系统的运行性能。下文将针对图1所示的两个冷凝器位置来分析环路热管的运行特性，并通过改变环路热管的摆放方式，来考察不同条件下环路热管反重力特性。

2.1 冷凝器位置的影响

图3给出了该环路热管中冷凝器位于位置1和位置2时的运行特性，实验中热管为水平放置。由图3(a)可见，当冷凝器处于位置1、在20 W时，热管能够实现启动，但随后出现了不稳定现象，冷凝器进口温度 T4和储液器进口温度T6出现了剧烈地振动，而蒸发器的加热面温度T1相对比较稳定，未出现较大的温度脉动。当热负荷增加到30 W时，环路热管的运行温度（T1）增加，T4和T6的温度脉动幅度随之减小，运行趋于稳定。此后，随着热负荷的增加，运行温度在不短升高，当热负荷为80 W时，T1达到了102 ℃，即最大热负荷（Qmax）为80 W。图3(b)为冷凝器位于位置2时的运行情况，在热负荷为20 W时，环路热管实现了稳定运行，各个温度测量点无大幅度的温度脉动现象，随着热负荷的增大，运行温度不断升高，当Q＝130 W时，蒸发器表面温度T1为102 ℃，达到了最大热负荷。

图3 不同条件下的运行状况

图4为不同冷凝器位置下运行温度（T1）和热阻。由图4(a)可见，在20 W时，位置1和位置2的T1仅相差2 ℃，而在90 W时，它们的T1相差了15 ℃，即随着热负荷的增大，两种状况下环路热管的运行性能相差不断变大。图4(b)为不同状态下热阻随热负荷的变化状况，这里热阻定义如下：R=（ T1- TC）/Q，其中，R为热阻，T1为蒸发器表面温度，TC为冷凝器平均温度，即TC= （T4+ T5）/2，Q为加热功率。可见，当冷凝器位于位置2时热阻一直低于位置1的状态，如当热负荷为80 W时，位置1和位置2的热阻分别0.53 ℃/W和0.38 ℃/W，而当热负荷为130 W，位置2的热阻仅为0.21 ℃/W。

图4 不同冷凝器位置下运行特性

由图3和图4可见，当冷凝器位于位置2时环路热管启动更为稳定，相同热负荷下运行温度低，系统热阻小。比较位置1和位置2可以发现，冷凝器位置的不同将导致系统中汽相管线和液相管线的长度存在差异，冷凝器位于位置1时汽相管线较长。对于本实验中所测试的热管，其蒸发器中毛细芯的渗透率较大（约为5×10-11m2），毛细芯中的流动阻力较小，数值分析结果表明：毛细芯中的流动阻力约为管线的15%，因而，管线流动阻力的变化将会显著影响的系统运行特性[8]。

在环路热管的各个管线中，Re一般小于100，属于层流流动，其内部的流动阻力可以采用式（1）来计算。

式中，L为管线长度；d为管线内径；v、m˙和ρ分别为管内工质的运动黏度、质量流量和密度。在80 ℃时，饱和水蒸气和饱和水的运动黏度之比为108，而在本文所研究的环路热管中，汽、液相管线的内径是相同的，而系统在运行过程中，质量流量也是相同的，由式（1）可见，相同长度下蒸汽在管线中的流动阻力远大于液体工质的阻力。从图1可以发现，当冷凝器位于位置1时，蒸汽管线长度比位置2的长了10 cm，相应系统的流动阻力较大，导致冷凝器位于位置 1时环路热管的运行性能较差。由图4可见，该环路热管在低功率（20 W和30 W）时，位置1和位置2的运行温度T1差别较小，这是由于系统中工作介质的循环速度较小，管线中流动阻力的差异不大。随着热负荷的增加，运行温度T1的差异逐渐增大，当热负荷为90 W时，冷凝器位于位置1要高15 ℃。这是由于随着热负荷的增加，系统中工质的循环速度增大，相应地管线中工质的流量增加，两种状况下系统的流动阻力差异随之增大，冷凝器位于位置1流动阻力增大，运行效率较低，热阻较大，运行温度也增加得更快。

综上所述，对于并联式平板环路热管水平放置时，冷凝器和蒸发器的相对位置将直接影响热管的启动和运行特性，当冷凝器靠近蒸发器出口即蒸汽管线的长度越短时，热管的启动和运行性能越好，最大热负荷越大，热阻越小；随着运行功率的增大，管线长度对热管运行性能的影响更为明显，即在相同热负荷下位置1和位置2运行温度差（ΔT1）不断变大。

2.2 反重力性能

由2.1节可知，该环路热管在冷凝器位于位置2时运行性能较好。为此，下文将以冷凝器位于位置2为基础，研究环路热管的反重力特性。图5为环路热管竖直放置时4种不同的放置方式，它们分别为冷凝器在上方和冷凝器在下方以及储液器在蒸发区域上方和在蒸发区域下方。

图5 环路热管在竖直放置时的4种摆放方式

图6 不同摆放方式下的启动过程

图6为4种摆放方式下的启动过程，热负荷均为20 W。对比图6(a)和图6(b)可以发现，当冷凝器在蒸发器上方[图6(a)]时，可以实现顺利启动，在启动过程中出现了温度过冲（overshoot）现象；启动运行温度较低，在稳定运行后蒸发器表面温度T1仅为51.3 ℃，且此后运行比较稳定。而当冷凝器位于蒸发器下方[图 6(b)]时，在启动过程中出现了温度脉动现象，其中冷凝器进口温度T4的振动幅度最大，这是由于热功率不足，引起毛细芯中的驱动力不足，导致气态工质进入冷凝器时的流量在不断变化所导致的[3]。当冷凝器在上方时，由于重力作用，有利于液态工质回流到蒸发器中，启动性能好，运行温度较低。但在启动初始阶段，由于重力作用，蒸汽槽道中有液体工质存在，因而蒸发器中需要聚集更大热量来实现工质在系统中的循环，温度较高，在启动开始后由于重力的辅助作用，运行效率提高，运行温度随之下降[2]。

对比图 6(c)和图 6(d)可以发现，在图 6(c)中，储液器位于蒸发芯的上方，其运行温度T1明显高于图6(d)，启动后蒸发器表面温度T1能够稳定运行，但是冷凝器进口温度 T4和储液器进口温度 T6出现了较大的温度波动。当平稳运行时，T1达到87.1 ℃。在图6(d)中，环路热管能够顺利启动，并实现了稳定运行，但在启动过程中出现了温度过冲现象，当稳定运行时，T1仅为70.3 ℃。由此可见，当储液器位于蒸发器下方时启动性能更好，这是由于两个方面的原因造成的：一是冷凝器和储液器相对位置的影响，对比图1和图5时可以发现，当环路热管处于图5(d)状态时，冷凝器高于储液器，这将有利于冷凝后液体工质回流到储液器，进而启动性能更好；二是蒸汽流向不同也造成了冷凝器中换热能力存在差异，在图5(d)状态时，蒸汽向下流动，与重力作用方向相同，这将增大凝液的速度，降低壁面液膜厚度，强化了传热过程[10]，使得冷凝器换热能力更强，启动性能更好。

图7为5种摆放方式下环路热管运行温度（T1）随热负荷的变化过程。由图可见，在低功率时，由于重力的辅助作用，冷凝器位于蒸发器上方[图5(a)]时运行温度T1最低，而随着热负荷的增加，该状态下的运行温度不断升高，当热负荷超过80 W时，储液器位于蒸发器下方[图5(d)]时的运行温度最低，当超过100 W时，图5(a)状态下的运行温度超过了水平放置时的情况。在此过程中，冷凝器位于上方[图5(b)]和储液器位于上方[图5(c)]时，由于重力的副作用，运行温度均高于环路热管水平放置，而储液器位于下方[图 5(b)]时正好相反，其运行温度一直低于水平放置的状态，总体运行状况最好。

图7 不同摆放方式下环路热管运行温度T1随热负荷变化情况

由此可见，该环路热管可以在低功率（20 W）和高功率时各种竖直放置状态下正常运行，具有很好的反重力特性。对比图7中5种运行状态可以看出，由于重力的辅助作用，当储液器位于蒸发器下方时系统的运行性能最好。

3 结 论

通过大量的实验，研究了平板环路热管中冷凝器位置以及摆放方式对系统启动过程和运行性能的影响，主要结论如下。

（1）并联式平板型环路热管能够在低功率（20 W）时各种放置状态下顺利启动，并具有良好的工作性能，最大热负荷达到130 W，此时热阻为0.21℃/W。

（2）对于本环路热管，冷凝器距离蒸发器蒸汽出口越近，即蒸汽管线长度越短时，热管的启动性能越好，最大热负荷越大，热阻越小。随着运行功率的增大，蒸汽管线长度对运行性能的影响也更明显。

（3）并联式平板型环路热管能够在各种竖直放置状态下正常启动和运行，具有很好的反重力特性。对比各个运行状态可以发现，当环路热管竖直放置且储液器位于蒸发器下方时，系统的运行性能最好。

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Experimental investigation on the performance of loop heat pipe w ith flat evaporator

ZHANG Xianfeng
（China Electronics Technology Group Corporation No. 38 Research Institute，Hefei 230088，Anhui，China，）

To investigate the effect of condenser location and gravity on operating performance，a miniature loop heat pipe w ith series flat evaporator were tested. The results show that the loop heat pipe can start up successfully at various positions under a low heat load （20 W） and have good operating performance w ith Qmax=130 W and R=0.21℃/W. At horizontal position，the loop heat pipe w ith shorter vapor line has better start-up performance and higher Qmax. Under a higher heat load，the effect of condenser location on operating performance becomes more noticeable. It is found that a loop heat pipe w ith series flat evaporator has good anti-gravity capability and can operate w ith all elevations and tilts. When the loop heat pipe is at vertical position w ith compensation chamber above the evaporator，its operating performance is the best under the gravity field.

loop heat pipe；flat evaporator；condenser；anti-gravity capability；operating performance

TK 172.4

A

1000-6613（2012）06-1200-06

2011-12-17；修改稿日期：2013-03-03。

张先锋（1979—），男，博士，工程师，主要从事工业节能、电子设备热管理以及微尺度流动与传热方面研究。E-mail zzxxff@mail.astc.edu.cn。