双通道平板环路热管的传热特性

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1、中国工程热物理学会学科类别传热传质学术会议论文编号：123245双通道平板环路热管的传热特性基金项目：国家自然科学基金-广东联合基金（No.U1034004）和中国博士后科学基金（No.20100480792）莫冬传，邹冠生，潘亚宏，吕树申（中山大学化学与化学工程学院，广州510275）(Tel:020-84112151,Email:lvshsh@mail.sysu.edu.cn)摘要：本文主要实验研究双通道平板环路热管在不同方位下的传热特性。研究结果表明，所制备的环路热管在功率变化过程中可以迅速运

2、行在相对稳定的状态；其两个通道的传热特性基本一致；方位对蒸发器温度的影响在小功率时较大、大功率时变小；其在顺重力（水平且冷凝器在蒸发器上方）时的传热性能最好，蒸发器温度最低；若要求蒸发器温度低于90℃，各个方位都可以稳定传热360W热量以上；冷凝管道尚未得到充分利用，环路热管的传热量还可更大。关键词：平板环路热管；双通道；重力；温控；响应时间0前言环路热管（LoopHeatPipe,LHP）利用工质的相变进行热量传输，可在高热流密度或有限空间的传热领域有重要应用。传统的环路热管是单通道的，为了减小蒸

3、发器与散热平面的热阻，许多学者开发了平板环路热管[1-4]，即采用平板型的蒸发器。另外一方面，为了解决多热源的散热问题，美国的航天部门[5]正在研究多蒸发器的环路热管，我国的航天部门[6]对此的研究也取得了重要进展。吕树申等[7-10]提出了一种双通道的环路热管，即用多个管道连接蒸汽出口和液体进口，使环路热管的性能得到提升。但双通道平板环路热管的传热特性如何，还需要进一步的实验研究。图1：一种双通道平板型环路热管原理图[8]1工作原理图1示出了双通道平板环路热管的工作原理。蒸发器和补偿室为一体式结构

4、，内有毛细结构。其只有一个蒸发器，但有两套流体循环通道：两根气管，两个冷凝器，两相液管。当蒸发器受热时，毛细结构上将产生蒸汽并沿气管1和气管2分别到达冷凝器1和冷凝器2释放热量变成液体；在毛细结构的毛细力作用下，液体分别沿液管1和液管2回到蒸发器，如此形成循环，通过相变实现了热量的高效传输。[8]2实验设置采用纯铜为壳体制备了双通道平板环路热管，并充入超纯水为工质。其有两套液体循环通道，此处分别命名为LoopA和LoopB，如图2(a)所示。这两个通道的几何尺寸基本相同，只是空间位置不同。每一个通道

5、的气管和冷凝管的管径均为Φ4×0.5mm，液管的管径为Φ3×0.5mm。蒸发器和补偿器的大小为70mm×60mm，高8mm。蒸发器上方有一个大小为33.5mm×33.5mm的突起，高0.6mm。突起的中心为芯片的位置，芯片的尺寸为20mm×20mm。为了方便测试，使用水冷装置对冷凝管进行冷却。整体环路热管的示意图如图2（b）所示。（a）管道布置方式示意图（b）整体示意图图2实验所用双通道平板环路热管示意图系统的主要位置布置了T型热电偶，通过Agilent34970A进行数据采集。测温点分别位于蒸发器

6、（Tevap1）、气管（Tvap,A、Tvap,B）、液管（Tliq,A、Tliq,B）以及冷却水(Twater)等。由于管道为铜质，可以认为壁面上热电偶测得的温度即为内部对应工质的温度。通过内置加热棒的铜块模拟芯片对蒸发器加热。通过调节加热棒两端的电压，可以控制铜块的模拟加热量。铜块与蒸发器接触部分面积为20mm×20mm。实验系统如图3所示。图3实验装置示意图[9]实验研究了不同方位对双通道平板环路热管传热性能的影响。图4列出了四种不同的方位，分别是：水平且冷凝器在蒸发器上方（顺重力），水平且蒸

7、发器在冷凝器上方（反重力），竖直且蒸汽出口在下（向下），竖直且蒸汽出口在上（向上）。(a)水平且冷凝器在蒸发器上方(顺重力)(b)水平且蒸发器在冷凝器上方(反重力)(c)竖直且蒸汽出口在下（向下）(d)竖直且蒸汽出口在上（向上）图4不同的测试方位示意图3结果与分析3.1温度随功率变化的响应结果在实际应用中，芯片的发热量往往是变化的。图5给出了水平且冷凝器在蒸发器上方（顺重力）时，环路热管不同位置温度随功率阶梯变化的情况。图中的横轴为时间，右纵轴为模拟芯片的发热量，左纵轴为蒸发器温度。从图上可以看出，

8、在40W的模拟加热量下，环路热管可以非常顺利地启动。启动后，环路热管各个测温点的温度并没有稳定，而是有一定的震荡，主要的原因是加热功率太小，蒸发的工质流量较小，则工质流量的细微变化都能引起系统温度显著的变化。图5环路热管不同位置温度随功率阶梯变化的情况(水平且冷凝器在蒸发器上方)在这些测温点中，两个通道的液管温度（Tliq,A和Tliq,B）震荡的幅度最大，主要是其极易受冷凝器和补偿室的共同影响[4]。简单来说，温度震荡过程中，冷凝器中的气液界面会发生移动，需要将工质