环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管（LHP）中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。     

环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管(LHP)中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。     

超亲水毛细芯环路热管启动及热性能分析

为解决电子设备高热通量下的散热问题，采用H₂O₂氧化法对烧结毛细芯进行了超亲水改性，研究了毛细芯表面润湿性对吸液性能的影响。并将改性后的超亲水毛细芯应用到环路热管内，研究了倾斜角度及加热功率对超亲水毛细芯环路热管的换热特性的影响。实验结果表明：超亲水毛细芯的吸液速度增加，吸液时间较亲水毛细芯减小了3.52ms；与普通亲水毛细芯环路热管相比，在加热功率Q=200W时，超亲水毛细芯环路热管蒸发器中心温度降低了约6.0℃，在Q=20W时启动时间与温度分别降低了33s与2.5℃。同时发现超亲水毛细芯环路热管在正重力状态时的运行温度更低，热阻较小，最低热阻仅为0.084℃/W。     

圆盘式环路热管的启动特性及温度波动

针对环路热管启动与温度波动问题,采用烧结法制备了镍材毛细芯体,研究了环路热管系统在不同热负荷下的启动特性,分析了不同热负荷和充灌率对温度波动的影响,同时分析了系统变负荷运行特性以及在不同热负荷、充灌率下系统热阻变化情况。研究结果表明,热管在5～25W加热功率下均可成功启动,功率越大启动越迅速;低负荷下热管的蒸发效率远远小于冷凝效率,加热功率在20W左右时蒸发效率与冷凝效率相等;较小负荷下启动均存在温度波动,热负荷至20W后温度波动现象消失;相同条件下大充灌率温度波动明显;热阻随着热负荷的增加而减小,负荷越小对热阻的影响越大;在低负荷下,充灌率对热阻的影响较大,反之较小;实验条件下,充灌率为60%时热阻最小,系统传热最好。     

液氮温区Ω形轴向槽道热管的启动特性与传热性能

基于空间深低温热传输需求设计了一套带有常温储气库的氮工质Ω形轴向槽道热管,并对其启动特性和传热性能进行实验研究,对比了槽道热管在不同充液率和放置角度下的传热性能。结果发现：热管在常温下启动迅速,绝热段及蒸发段在冷凝段降温至液氮温区后可以在短时间内降温,热管均温性良好。槽道热管能够在70~110K温度范围内高效传热,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小。热管的充液率为100%时其传热性能最优,过大或过小会使得热管传热性能下降。储气库结构可以减小热管工作温度变化对其充液率的影响,利于其在更大的温度范围内获得更好的传热性能。热管的放置形态对其传热性能有显著影响,不同的放置形态会影响热管的传热极限和传热热阻。当热源处于蒸发段管线下端时性能最优,最大传输功率为45W,热阻最低为0.31K/W。     

纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管（UTFHP）,其内部吸液芯是多孔介质底层（PL）和多孔介质丝（PW）组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量（CHF）提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。     

纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管(UTFHP),其内部吸液芯是多孔介质底层(PL)和多孔介质丝(PW)组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量(CHF)提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。     

变孔隙毛细芯平板热管性能

毛细芯是热管的核心部件,单一均匀孔隙毛细芯往往难以同时兼顾高性能热管对于毛细抽吸力和渗透率两方面的需求,变孔隙毛细芯则可以根据需要分别设置变化的内部孔隙分布,同时满足所需要的毛细抽吸力和渗透率。本文以纤维毡为主要材料制备不同孔隙分布的变孔隙毛细芯,搭建变孔隙毛细芯平板热管实验台,通过实验研究毛细芯的孔隙分布等参数对平板热管的启动性能和传热性能的影响,研究结果表明：含有变孔隙复合毛细芯的平板热管比含均匀孔隙毛细芯的平板热管性能更好,启动所需的时间更短,热管的传热性能也更好。其他条件相同,倾斜角度为45°时,回流方向孔径递减毛细芯平板热管能承受的加热功率比均匀毛细芯平板热管高约2W,比重力热管高3～4W。     

烧结多孔槽道吸液芯超薄平板热管的传热性能

设计并制作了总厚度为0.85 mm的超薄平板热管,热管的毛细芯采用烧结多孔槽道结构,实现了槽道和多孔结构的结合,根据该结构制作了一个铝制模具。该热管设计结合了超薄化和易制作的特点,对热管性能测试搭建了实验平台,分析了加热功率、铜粉粒径、槽道数目对热管热性能的影响,热阻和最大传热能力用来表征热管的性能。结果表明在加热功率为14 W时,放置铜板和热管的加热铜块温度分别是102℃和66℃,热管有效降低了热源温度;当铜粉粒径较大时热管的热阻和传热极限也较大,粒径减少时出现相反现象。相比单槽道结构,双槽道结构出现了更低热阻,两者最小差异为21%。     

烧结多孔槽道吸液芯超薄平板热管的传热性能

设计并制作了总厚度为0.85 mm的超薄平板热管，热管的毛细芯采用烧结多孔槽道结构，实现了槽道和多孔结构的结合，根据该结构制作了一个铝制模具。该热管设计结合了超薄化和易制作的特点，对热管性能测试搭建了实验平台，分析了加热功率、铜粉粒径、槽道数目对热管热性能的影响，热阻和最大传热能力用来表征热管的性能。结果表明在加热功率为14 W时，放置铜板和热管的加热铜块温度分别是102℃和66℃，热管有效降低了热源温度；当铜粉粒径较大时热管的热阻和传热极限也较大，粒径减少时出现相反现象。相比单槽道结构，双槽道结构出现了更低热阻，两者最小差异为21%。     

平板陶瓷毛细芯环路热管的实验与仿真

设计并制作了一种平板陶瓷毛细芯环路热管,以环保型制冷剂R245fa作为工质,实验研究了其传热性能;在传统热阻网络模型基础上,优化了其计算过程,通过两条路径并行计算储液器温度,并以二者残差作为收敛条件,提高了计算速度。实验与仿真结果表明,进入固定热导区后,冷凝器热阻占系统总热阻的90%左右,当系统刚刚进入固定热导区时,蒸发器热阻最小,此时蒸发器传热性能最佳;仿真结果与实验结果吻合度较高,温度计算误差最大不超过5℃,热阻的相对误差最大为17%,通过模型计算得到工质在流经毛细芯内部时产生的压降占系统总压降的90%,蒸发温度随着毛细芯厚度的增大而减小,随着毛细芯有效热导率的增大呈现先减小后增大的趋势;增加毛细芯厚度有利于减小毛细芯向储液器的漏热,毛细芯有效热导率的增大会显著增加漏热,不利于系统运行。     

双通道平板型环路热管的传热特性

以铜为主要材料、超纯水为工质研发了双通道平板型环路热管。分别在双通道环路热管的两根液管上安装阀门,通过阀门的开关,实现双通道平板型环路热管和单双道平板型环路热管的互相转换。通过实验,发现双通道平板型环路热管的传热性能比单通道平板型环路热管要好。在热源的加热量为30W时,蒸发器温度的降幅可达10℃。在不同的功率下,双通道环路热管比单通道环路热管总热阻的下降幅度在20%以上。但双通道平板型环路热管的总热阻与单通道平板型环路热管相比,降幅并没有达到50%,这是由于采用双通道的形式,只能减小通道压降造成的热阻以及冷凝热阻,但不能减小蒸发器热阻。     

环路热管启动特性模拟

对阿尔法磁谱仪（AMS-02）低温冷却器环路热管的启动特性进行了数值模拟研究。结果表明热负荷高利于环路热管的启动。某些结构或者装配的差别产生的接触热阻造成两侧并联的环路热管热量分配不均,从而低负荷时导致一侧环路热管无法启动。主副毛细芯的结构有利于建立热管启动的过热度。     

汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

水和丙酮工质的金属纤维毡蒸气腔热管的传热性能

通过实验研究了金属纤维毡吸液芯蒸气腔热管的传热特性,测试了在单一热源下,不同热通量、风速以及工质种类时蒸气腔热管的启动性能与均温特性,并使用红外热像仪对蒸气腔热管冷凝端拍摄。实验中蒸气腔热管使用的工质分别为水与丙酮。实验结果表明:金属纤维毡蒸气腔热管的启动时间基本在3000 s左右;蒸气腔热管的蒸发端与冷凝端的等温性能良好,其中水工质的冷热端最小温差为1.35℃,因此使用金属纤维毡吸液芯蒸气腔热管可以避免电子器件的局部高温。     

多蒸发器低温回路热管的运行特性

回路热管（LHP）是柔性高效的两相流换热部件，通过工质的相变以及毛细芯的吸附作用实现高效传热。多蒸发器回路热管（MeLHP）是在其基础上通过多个蒸发器并联实现对多个热源的高效热收集与排散，适用于空间探测技术中多阵列红外探测器的制冷。本文试验样机采用包含三个蒸发器的多蒸发器回路热管结构，管路以气耦合方式并联，管线非对称布置，工作温区为170K，采用乙烷为相变换热工质。以单蒸发器回路热管的数据为参考，在不同的加热功率及加热方式下对多蒸发器回路热管进行运行特性的实验研究，并从补偿器工作特性出发研究其充液率对性能的影响。实验证明，该MeLHP样机运行过程中具有良好的热分享特性，负载热量在各蒸发器间互相分享，且该特性有方向性，与两相流的流动特性相关，表现为低流阻回路向高流阻回路分享为有效分享，反之会引起高流阻性能变差而容易失效，因而低流阻回路分配更多热负载，有利于热管运行；MeLHP的传热极限与单蒸发器回路热管相当，并且实验还验证了MeLHP补偿器的工作方式为单一补偿器工作，因而对MeLHP充装时应适当提高充液率，以获得与单回路热管一致的性能。该研究有助于多蒸发器回路热管运行规律的掌握，对实际应用的推动有促进作用。     

螺旋扁管干式蒸发器的传热性能

对螺旋扁管干式蒸发器（TDE）和常规折流板干式蒸发器（BDE）的传热性能进行实验研究。研究了蒸发温度（T_e）、冷凝温度（T_c）、管外壳程流体Reynolds数（Re_o）和热通量（q_i）对传热性能的影响。研究表明,随着T_e、Re_o和q_i的增大,TDE和BDE的传热性能均提高。随着T_c的增大,TDE和BDE的传热性能降低。对装配TDE和BDE的风冷热泵分别进行了测试,测试表明,在相同制冷工况下,TDE的总传热系数比BDE提高了36.3%,风冷热泵的制冷性能系数（COP）相应地提高了6.0%;在相同制热工况下,TDE的总传热系数比BDE提高了41.7%,风冷热泵的制热COP值相应地提高了15.8%;说明TDE可应用于风冷热泵,且其性能优于BDE。