强化相变驱动的环路热管蒸发器可视化实验台建立及实验

以研究强化相变驱动的环路热管的传热机制为目的,设计了一种带有相变空间的新型结构可视化平板热管蒸发器,实验研究了相变空间高度对热管蒸发器启动时间的影响与加热功率对其启动传热特性的影响,并观察了启动过程中工质在相变空间内的相变特性。实验结果:在不同相变空间高度情况下,实验蒸发器系统的启动时间存在明显差异,当相变空间为1mm时,系统启动时间较短,工质不易出现干涸现象。并且在启动加热功率不同时,系统启动热阻也不同,更高的加热功率对应更低的整体热阻。通过可视化实验的观察与分析,为建立环路热管相变驱动机制的可行性研究奠定了基础,为建立描述这一驱动机制的数学模型提供了实验依据。     

双面蒸发器环路热管的瞬态特性

环路热管是一种高效的两相热控装置,主要应用于航天航空热控和地面高热流电子器件的散热。现有的平板式环路热管只有一个面可以进行散热,一方面,不利的背向导热使得环路热管在低热负荷的条件下启动困难,另外,蒸发器的另一个面也存在散热的潜能。针对上述不足,提出了平板型甲醇-铜双面蒸发器环路热管。在重力辅助倾角为10°,热沉温度为0℃的条件下,对单面加热和双面加热的启动性能和变工况运行进行了实验研究。实验结果表明:该新型环路热管在单面加热和双面加热条件下,均可以成功启动和正常运行,且双面工况时的启动性能比单面更稳定、迅速;在加热面的温度不超过(90±2)℃的情况下,单面可以传递的最大热负荷为210 W,对应热流为21.8 W·cm^-2,而双面传递的最大热负荷为240 W;双面交替运行时,LHP能够快速从一个面转向另一个面运行,没有出现运行失败。     

紧凑型平板环路热管实验研究

环路热管因其紧凑、高效等优势在电子元件冷却方面十分具有应用前景。实验研究了一种紧凑型平板环路热管在不同工况下的启动特性和传热特性。结果显示部分低加热功率和充液率下的启动出现振荡,高加热功率和较高充液率有利于环路热管平稳启动。总结了温度振荡现象出现的工况范围。传热特性方面,存在一个最优充液率使热管散热性能最佳,这个最优充液率与散热负荷有关。低负荷时,最优充液率较低;高负荷时,最优充液率较高。     

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。     

高性能柔性环路热管设计与热特性分析

面向大功率、远距离复杂空间布局和相对移动等散热问题,设计制作了一种高性能柔性环路热管。以氨为工质,采用聚四氟乙烯(PTFE)材料作为毛细芯,在气液传输管线中耦合了不锈钢编织内衬平滑型PTFE金属软管。以薄膜加热器作为模拟热源,冷却循环水作为冷源,实验测试和评估了热管的传热性能,主要包括启动、加热功率增量测试、热阻和传热量。结果表明,样机具有良好的启动特性和传热性能,对功率的切换响应迅速平稳。能够在超过3.97m有效传输距离下实现最大传热量大于700W,系统热阻小于0.01K/W,工作温度小于35℃。为了更好地评估环路热管(loop heat pipe, LHP)设计的合理性,对稳态运行时环路各部件流动压降进行了计算比较。分析发现气体管线管径是主要影响因素,软管的应用不会显著增加系统流动阻力,相对于其提供的柔性是占优的。     

平板形蒸发器环路热管的研究进展

环路热管是一种高效的传热装置。与其他传统的热管相比,其最大的优势是传热距离大、可反重力运行。对环路热管进行总结和回顾,既有利于推进环路热管基础理论的发展,也可促进新型、高效环路热管的开发与利用。本文根据蒸发器的形状对环路热管进行了分类,全面系统地介绍了近五年国内外关于平板形蒸发器环路热管的实验研究和理论模型研究进展,包括吸液芯结构设计、工质选择、蒸发器优化、蒸发器的模型研究及环路热管系统的模型研究,分析了6种吸液芯结构各自的优缺点与应用现状,比较了几种常见工质及3种常规平板形蒸发器环路热管系统模型之间的差异。最后对平板形蒸发器环路热管的研究现状进行了总结,并对未来其在实验研究和理论模型研究方面提出了科学的分析与展望。     

脉动热管可视化实验研究进展

脉动热管是一种结构简单、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。其优良的传热特性源于内部工质的蒸发、冷凝相变以及两相流动等热-水动力学特性。可视化实验是研究工质流动特性的常用方法,对于理解脉动热管的传热机理非常重要。本文介绍了5种可视化技术手段,简述了近二十年来脉动热管可视化实验观察到的气液相变和多种流型,分析了流型的影响因素,并总结了流动特性和传热性能之间的对应关系。指出目前可视化实验观察到的结果可以定性地解释一些传热现象,却难以定量地揭示脉动热管的传热规律。未来可以将可视化实验中测得的气液塞运动速度、液膜厚度和相分布等信息利用起来,考虑管壁材质的影响,建立更准确的气液两相流模型,用来设计、评估和预测脉动热管的性能。     

热负荷分布对双蒸发器环路热管传热性能的影响

针对各自带液体补偿器的双蒸发器环路热管,采用模块化建模方式,数值模拟了不同热负荷分布下蒸发器毛细芯内的温度分布,确定了最优负荷分布模式以及系统传热极限。结果表明:施加于双蒸发器上的热负荷将同时影响双芯的温度变化,最优的热负荷分布模式为等热量分布。在一定的热沉温度下,并联双蒸发器环路热管的传热性能要明显优于单蒸发器环路热管,并以此求得该模型的传热极限为130 W,远大于同尺寸单蒸发器环路热管的传热极限37 W。     

金属3D打印复合毛细芯孔径配比对环路热管特性影响

环路热管（loop heat pipe,简称LHP）是一种利用工质相变进行热量传递的强化传热元件,广泛应用于余热回收、太阳能集热器以及电子器件散热等。而LHP蒸发器内毛细芯对其工作性能具有决定作用,3D打印毛细芯可克服烧结毛细芯孔径分布不均且随机性高的局限性。本文根据LHP蒸发器内气液两相的流动特点,将3D打印毛细芯的上层定义为吸液层,下层定义为蒸发层,并对其上下层孔径的配比进行研究后发现：在本文所研究的工况下,当蒸发层孔径一定时,增大吸液层孔径会使蒸发区内过热度降低;减小吸液层孔径会使蒸发区内出现干烧现象,二者皆会限制LHP的传热性能。此外,当吸液层孔径一定时,增大蒸发层孔径会造成热泄漏,减小蒸发层孔径可强化LHP在高负荷下的传热性能。蒸发层孔径为100μm、吸液层孔径为200μm的复合毛细芯具有更高的传热系数和热负荷。     

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。     

不同工质回路热管负载功率变化下的质量流量特性

为了进一步提高回路热管仿真精度并丰富回路热管实验研究方法,本文对回路热管瞬态传质进行实验研究。使用高精度质量流量计分别对以丙酮、乙醇、丙烯为工质的回路热管进行不同负载功率下的质量流量测量研究。结果表明：启动阶段,热负载10W时,丙烯回路比丙酮回路热管启动快,且两者的温度稳定均滞后于质量流量;稳定阶段,随着热负载功率增大,不同工质的回路热管的平均质量流量均线性增长,而瞬态质量流量则持续波动,其质量流量波动幅度均呈现先减小后增大的趋势。质量流量波动幅度会受到气体工质的可压缩性与作用在毛细芯内部上的热量的共同影响。通过频谱分析发现,液相质量流量波动还会受到冷凝器两相区的影响。高热负载下,作用在毛细芯内部上的热量占主导地位,质量流量波动加剧,同时出现周期性大幅波动,且其波动频率随着热负载增大而增大。     

平板型小型环路热管的温度波动特性

环路热管(LHP)是一种靠蒸发器内的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。本文研制了一套小型平板式蒸发器、风冷式冷凝器的环路热管（mLHP）,mLHP的毛细芯为25 μm不锈钢丝网,工质为甲醇。蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。研究了平板型mLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,实验结果表明,mLHP在1.5～4 W·cm^-2的热通量范围内容易发生温度波动;还研究了倾角以及充灌量等对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释。     

用于高热通量电子散热的平板环路重力热管

为解决高热通量电子设备散热问题,设计一套蒸发器上下表面由多个方柱相连的平板型环路重力热管（LGHP）。通过实验研究其换热性能,包括在不同加热功率下平板热管的传热特性及均温特性,以及蒸发器摆放方式和不同种工质对平板热管传热性能的影响。实验结果表明,环路热管工质采用R134a的工作性能比R600a好,平板竖直放置比水平放置好。采用R134a且竖直放置时,其临界热通量（CHF）可达212.3 kW/m²,对应传热系数为16.2 kW/（m²·K）。该平板换热器可以保证电子设备工作温度不超过60℃,且运行过程中平板蒸发器与热源接触的壁面各测点间除出口处外温度差值小于5℃,均温性能优异。     

平板式环路热管性能的实验

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。