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%。     

160—220 K温区槽道热管传热特性

为了研究160—220 K温区内槽道热管的传热特性,搭建槽道热管实验台,通过改变工作温度、加热功率、充液率以及倾斜角度,分析乙烷工质槽道热管等温性能和传热特性。实验结果发现：乙烷槽道热管在160—220 K温区下工作时,传热温差在2 K以内,充液率100%和顺重力倾斜角10°时热管工作性能最佳;随着工作温度的下降,工质的总压降增大,导致槽道热管的温差增大,等温性能下降;当倾斜角为40°时,热管温度出现波动现象,功率在10—50 W变化过程中,加热功率越大,热阻越小,最大热阻为0.22 K/W。通过合理分布热源位置和增大加热功率可降低槽道热管在不利工作角度下的传热热阻,提高热管传热性能。     

折弯异型对铜-水热管传热性能影响的实验研究

为了研究异型对于热管性能的影响,对三支铜-水热管进行了实验研究。加热温度范围为50~90℃,冷却水流量范围为40~104 L/h,对比不同工况下的启动性能、等温性能,结果表明,异型管在加热温度较低时可能出现“温度滞后”现象,从而使启动时间显著增加;异型使得热管等温性能变差但仍在可接受的范围内。对不同应用条件下的最大传热功率、蒸发段传热热阻、整体热阻进行了研究,实验表明：加热温度较低时,异型对于最大传热功率及传热热阻的影响较大,当加热温度大于80℃时,异型管与直管之间最大传热功率的差值缩小到30%以内,且此时的传热热阻达到10^-2量级水平。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82 mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4 mm(1~#)、4.0 mm(2~#)和4.8 mm(3~#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305 W的加热功率下其热阻分别比1#、2#和3#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4mm(1^#)、4.0mm(2^#)和4.8mm(3^#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305W的加热功率下其热阻分别比1^#、2^#和3^#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

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。     

矩形多槽道热管传热性能的实验研究

通过对不同真空度和倾角下矩形多槽道热管的传热性能进行实验研究,重点讨论了真空度和倾角对热管启动特性和运行特性的影响。实验结果表明:较高的真空度和非0°倾角,有利于缩短热管的启动时间,优化均温性能,降低传热热阻;合适的加热功率能加快热管启动,过大的加热功率使热管出现不稳定工作现象。     

中温水平环路热虹吸管传热性能实验研究

研制了一套中温水平环路热管(HLTS)。采用导热姆作为传热工质,搭建了其传热性能实验平台,考察了该HLTS的启动和传热性能。实验结果表明:U形段液封结构可有效避免热管内部两相工质的双向流动,提升其传热性能;充液率对环路热管传热性能影响较大,初始充液率为45.5%,加热功率为150W时,启动温度为130℃,启动时间为29min,启动性能优于初始充液率为70.5%工况;工作温度为200~400℃时传热热阻0.91~0.69℃/W,传热性能较好。该HLTS可移植和放大,设计用做槽式集热管,实现热管在太阳能中温热利用领域的高效利用。     

多尺度复合毛细芯环路热管的传热特性

为解决环路热管在蒸发腔不同区域对于毛细芯孔径尺度和热导率的不同需求, 制备了一种多尺度复合毛细芯环路热管, 并在不同加热功率、放置角度和冷却方式下对环路热管进行了热性能测试。实验发现该环路热管具有较好的传热性能, 在200 W加热功率下, 蒸发腔壁面中心温度T_c最低仅为64℃。与风冷方式相比, 冰冷方式可以显著强化环路热管的传热性能, 降低T_c和热阻。热阻最低为0.19 K·W^-1。同时冰冷方式也有利于改善均温性。当加热功率不同时, 放置角度对环路热管温度及热阻的影响有所不同。另外, 多尺度复合毛细芯的应用有效地降低了热泄漏。随着加热功率的增加, 放置角度不同的LHP的热泄漏变化趋势不同。     

倾角及加热功率对乙烷脉动热管传热性能的影响

为了研究脉动热管在中低温区的传热性能,设计了一台乙烷脉动热管,采用低温Stirling制冷机为冷源。实验研究了在不同温区范围内,加热功率和倾角两个因素对乙烷脉动热管传热性能的影响。研究结果显示:在-40℃和-70℃温区,当倾角小于45°时,倾角对传热温差的影响较小,而倾角在45°～90°之间时,随着倾角的增大,传热温差呈明显上升趋势。在较低加热功率下,倾角对传热温差的影响较小,在较高加热功率时,倾角对传热温差的影响较大。实验还发现在同一倾角下,随着加热功率的增加,传热温差逐渐增大,传热热阻呈现出先减小后增大的趋势。     

倾角及加热功率对乙烷脉动热管传热性能的影响

为了研究脉动热管在中低温区的传热性能,设计了一台乙烷脉动热管,采用低温Stirling制冷机为冷源。实验研究了在不同温区范围内,加热功率和倾角两个因素对乙烷脉动热管传热性能的影响。研究结果显示：在－40℃和－70℃温区,当倾角小于45°时,倾角对传热温差的影响较小,而倾角在45°～90°之间时,随着倾角的增大,传热温差呈明显上升趋势。在较低加热功率下,倾角对传热温差的影响较小,在较高加热功率时,倾角对传热温差的影响较大。实验还发现在同一倾角下,随着加热功率的增加,传热温差逐渐增大,传热热阻呈现出先减小后增大的趋势。     

异形整体式热管散热器传热实验与分析

针对电子电气设备散热和均温的需求,提出了一种新型结构形式的异形整体热管散热器:平板热管形式的蒸发段与具有高肋化比翅片的冷凝铜管集成。对该热管进行了传热实验与分析,研究热管在不同工况下温度数值及分布,探究影响热管性能的因素和规律,验证其传热能力。结果表明:在各种工况下热管温差始终在1.75℃之内,均温性能良好。加热功率和对流散热状况对热管启动性能、总体热阻、当量热导率、传热系数都有影响。随着加热功率和对流速度增加,热管启动时间和热阻均降低,当量热导率和传热系数则逐渐上升。热阻最低为0.189℃·W?1,最佳当量热导率为20964 W·m?1·K?1。相比于同等尺寸的传统热管,热阻降低了37%,传热效率提升15%。     

异形整体式热管散热器传热实验与分析

针对电子电气设备散热和均温的需求,提出了一种新型结构形式的异形整体热管散热器：平板热管形式的蒸发段与具有高肋化比翅片的冷凝铜管集成。对该热管进行了传热实验与分析,研究热管在不同工况下温度数值及分布,探究影响热管性能的因素和规律,验证其传热能力。结果表明：在各种工况下热管温差始终在1.75℃之内,均温性能良好。加热功率和对流散热状况对热管启动性能、总体热阻、当量热导率、传热系数都有影响。随着加热功率和对流速度增加,热管启动时间和热阻均降低,当量热导率和传热系数则逐渐上升。热阻最低为0.189℃·W^-1,最佳当量热导率为20964 W·m^-1·K^-1。相比于同等尺寸的传统热管,热阻降低了37%,传热效率提升15%。     

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台，对不同充液率下热管性能进行了实验研究，并以最佳充液率的热管为研究对象，分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明：充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能，最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W，热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性，相较于功率增加，功率减少时热管性能更优，同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大，而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时，热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时，冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间，实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。     

变管径单回路脉动热管传热特性数值研究

为了探究变管径结构对脉动热管传热性能及传热极限的影响,以水为工质,在不同加热功率、不同充液率工况下,对变管径单回路脉动热管传热特性进行了数值模拟,研究了变管径结构对温度特性、传热热阻及传热极限功率的影响规律,并与常规脉动热管进行了对比分析。研究结果表明:变管径热管在脉动过程中的脉动振幅较小,具有良好的均温性。变管径结构的设计有利于降低单回路脉动热管的热阻,提高其稳定运行时的脉动频率,随着充液率的增加,该优势更加明显。另外,使用变管径结构可以增加脉动热管内液膜的再湿润程度,从而提高脉动热管的传热极限。     

新型三维脉动热管的性能

把传统脉动热管冷却段改进成双螺旋结构,形成新型三维脉动热管,并建立实验平台,考察了以丙酮为工质,在充液率54%、冷却水温度22℃的条件下,不同加热功率（20~700W）、不同倾斜角度（0°、50°、90°）对新型三维脉动热管的启动以及传热性能的影响,通过加热段以及冷却段管壁温度变化判断脉动热管启动运行特性,通过总热阻评价热管传热效果。实验结果表明,脉动热管在0°、50°和90°倾斜角度下均可以启动,但90°倾斜角时更有利于新型脉动热管的启动和稳定运行。90°倾斜角时,脉动热管在加热功率40W时启动,100W达到稳定运行状态,700W时到达传热极限,脉动热管的总热阻呈现先减小后增大的趋势,总热阻最小可达0.117℃/W。脉动热管在90°和50°倾斜角度下传热总热阻没有明显差异,但在0°倾斜角时,极易达到传热极限且在整个过程中热阻要比50°和90°倾斜角条件下高很多,加热功率180W达传热极限。     

倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响

针对多通路并联回路板式脉动热管建立实验台,采用铜质模块加热和水浴冷却方式作为热工条件,着重考察脉动热管在不同倾角（90°,75°,60°）及冷却工况（4.5 g·s^-1和9.0 g·s^-1）下的传热性能,通过壁面温度的振荡和传热热阻来评价其传热效果。实验结果表明,重力对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响较大,随着倾角的减少,工质的回流变弱,传热热阻变大,传热极限变低;脉动热管的加热功率与冷却能力是相互匹配的,匹配度越高,脉动热管越不易干烧,传热极限越高,在有倾角的工况下提高传热极限表现得更为明显;脉动热管运行时存在一个最佳水流量,在最佳冷却工况下,脉动热管的运行热阻最低。     

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。     

甲醇水溶液脉动热管的传热特性

以体积分数为50%的甲醇水溶液为工质,充液率为50%,对不同倾角和加热功率条件下环路脉动热管的启动性能和稳定运行时的传热性能进行了实验研究。对比分析了甲醇水溶液、无水甲醇和水的传热效果,探讨了甲醇水溶液与水、无水甲醇在启动过程中启动时间、启动温度以及稳定运行时传热热阻、热冷端温差的变化特点。结果表明,在低加热功率条件下,甲醇水溶液45°和90°倾角下的启动方式均为温度渐变型,甲醇水溶液的启动时间比无水甲醇长,但比水短。稳定运行时,甲醇水溶液在90°倾角下加热段温度低于甲醇,且波动较大。在低、中加热功率条件下,甲醇水溶液传热性能优于水和无水甲醇,甲醇水溶液在45°和90°倾角下的最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。