深冷环路热管超临界启动实验研究

周顺涛 莫 青 张红星 苗建印

1 引言

深冷环路热管(CLHP)的工作原理与常温环路热管(LHP)类似，它依靠蒸发器毛细芯产生的毛细力作用，使得低温工质在回路内产生流动，实现热量的收集、传输与排散［1］。对于环路热管，启动问题目前仍是困扰其步入实际应用的一个关键问题。从文献［2-5］知，无论回路处于何种工况，能够保证LHP顺利启动的首要条件就是蒸发器毛细芯能够被液体工质良好浸润。普通LHP(如氨环路热管)在常温下回路内工质处于气液两相状态，蒸发器毛细芯一般都处于浸润状态，因此只需在蒸发器上直接施加热载荷即能进行启动。但是对于CLHP，其采用的都是低温工质(如氮、氢)，在非工作状态时(CLHP处于常温环境)，回路内这类工质一般处于超临界状态［6］。因此，深冷环路热管不能像常温环路热管一样可以直接运行，而是需要在正常工作前将深冷环路热管内部工质冷却到气液两相状态，并使其内部的气液分布满足启动要求。当CLHP完成超临界启动后，其工作状态与普通环路热管类似。因此实现深冷环路热管的超临界启动过程，是深冷环路热管研制过程中必须首先解决的关键问题。

为了对CLHP的启动特性及其影响因素有一个比较全面的了解和认识，本文通过实验从储气室接入位置、副蒸发器功率、充装压力等方面对CLHP进行了研究，并对实验现象进行了描述与分析。

2 实验装置

如图1和图2分别给出采用的小型CLHP测温点分布图和实物图(其中储气室的位置根据实验情况有所不同)，表1给出了主要的结构参数。该CLHP采用氮为工质，工作温度范围为80 K—120 K。除毛细芯材料为镍粉外，其余均为不锈钢。

表1 CLHP结构参数Table 1 Parameters of CLHP

整个实验在真空罐中进行，真空系统的真空度优于10-2Pa，可忽略对流换热的影响。另外，为了减小辐射漏热的影响，CLHP管壁(除储气室)都采用20层的镀铝聚酯薄膜包裹。热源采用的是缠绕在蒸发器有效加热段的康铜加热片模拟，通过改变输入电压来模拟不同功率的热源。另外，实验中将储气室远离蒸发器和冷凝器，减少常温储气室对回路的漏热。

3 实验结果及分析

3.1 储气室位置对启动的影响实验

对于CLHP，储气室可以有两个接入位置，如图1中实线所示位置(第1种接入位置)和虚线所示位置(第2种接入位置)。在第1种接入形式中，储气室与蒸气管线直接相连，且尽量靠近主冷凝器入口侧;第2种接入形式中，储气室则连接在次回路的回流管线上。为了考察储气室位置对CLHP回路启动性能的影响，分别对CLHP样机两种接入位置进行了实验。其中除了储气室位置不同外，测温点的布置位置都相同。

图3给出了储气室为第1种接入位置时的超临界启动过程。在开启热沉之后T11迅速下降，同时副蒸发器温度T9也随之降低。当T9达到临界温度(Tcr=126 K)时，主蒸发器侧温度T2、T3、T4突然降低，而后又逐渐回升。这个温度变化过程是由于储气室对副储液器等结构进行工质补充造成的。在10∶40左右，对副蒸发器施加5 W载荷，此时T10立刻下降，并维持在Tcr以下，表明副蒸发器已经顺利启动。之后，在副蒸发器毛细力的驱动下，不断有液体工质从主冷凝器沿液体管线流向主蒸发器侧，于是先前回升的T2、T3、T4又开始逐渐降低。经过约6 min的降温，主蒸发器温度T3已经达到了临界温度以下，这时主蒸发器亦达到了启动条件。在11∶00对副蒸发器加载2 W功率，主蒸发器出口T4发生陡降而后保持稳定，说明主蒸发器中有低温蒸气产生，其毛细芯在副蒸发器的作用下得到了液体良好浸润。以上现象表明，回路成功完成了超临界启动过程。

图3 储气室第1种接入位置的超临界启动过程Fig.3 Supercritical startup of CLHP with the 1st hot reservoir location

对于储气室第2种接入位置的超临界启动过程如图4所示。整个启动过程与图3类似，包括副蒸发器降温启动过程和主蒸发器降温启动过程。但是，从图中可以发现两种情况所对应的启动现象有所不同。主要体现在对副蒸发器降温时，图4中T2、T3、T4并没像图3中一样发生先下降后回升的现象，而是一直保持在常温状态。该现象的原因是储气室对回路工质补充的路径不同:对于第1种接入位置，储气室中的工质需要先经过主冷凝器降温，然后这部分低温工质经主蒸发器和主储液器(T2、T3、T4降低的原因)，再由次回路回流管线进入次冷凝器和副储液器中，而后待工质补充过程结束T2等又逐渐回升;而对于第2种接入位置，储气室的工质可以直接对副储液器补气，而不需要经过主冷凝器和主蒸发器。

通过实验知，储气室的接入位置对CLHP启动的影响不大，采用以上两种接入位置均能实现超临界启动过程。但是在进行设计时，储气室应尽量远离主蒸发器侧，以减少漏热影响。

图4 储气室第2种接入位置的超临界启动过程Fig.4 Supercritical startup of CLHP with the 2nd hot reservoir location

3.2 副蒸发器功率对启动的影响实验

如图5所示，在13:45左右副蒸发器温度T9已经降低至临界温度以下并趋于稳定，此时对副蒸发器先施加2 W功率，出口温度T10迅速下降，副蒸发器启动。同时，可以看出T2、T3、T4也开始逐渐降低。副蒸发器启动约170 min后，主蒸发器温度T3降低至180 K且趋于平缓，表明从主冷凝器转移至主蒸发器的冷量与主蒸发器自身的环境寄生漏热达到了平衡。由于该温度明显高于工质氮的临界温度126 K，主蒸发器内不可能为气液两相工质，其毛细芯亦不可能被液体工质浸润，因而无法启动主蒸发器，即对副蒸发器施加2 W的热载荷不能实现CLHP的超临界启动。

图5 副蒸发器功率对启动的影响Fig.5 Effect of secondary evaporator heat load on supercritical startup

此后，将副蒸发器上的热载荷提高至了3 W，此时主蒸发器温度T3立即加速下降至临界温度以下。当T3降至约106 K时，主蒸发器出口温度T4迅速下降，表明液体工质开始浸润主蒸发器毛细芯。当主蒸发器温度逐渐稳定时，即可对主蒸发器施加热载荷来启动主回路。

由图5可知，受寄生漏热的影响，要实现该CLHP的超临界启动，副蒸发器上所需施加的最小热载荷介于2 W和3 W之间，并且增大副蒸发器功率能明显加快主蒸发器降温过程。

3.3 充装压力对启动的影响实验

充装压力对CLHP启动的影响主要在降温过程中。由于CLHP启动前，其内部工质处于超临界状态，只有当温度和压力降低至临界温度和临界压力以下时，才会发生凝结现象。对于给定的CLHP，如果充装压力太大可能会导致在主冷凝管线、冷凝管线以及副储液器和副蒸发器温度降至临界温度以下时，回路中的压力仍然高于临界压力，因而不会产生凝结液。

如图6所示，CLHP降温时间随充装压力的变化关系(保持Q1=0 W，Q2=4 W)，图中的降温时间是指从副蒸发器加载功率开始到主蒸发器温度降低到临界温度所需的时间。从图中可以看出，CLHP的降温时间随着压力的增大，呈现“√”型变化，在充装压力为1.0 MPa时，系统所需的降温时间最短，仅需要15 min。当充装压力高于或者低于1.0 MPa时，降温速度都比1.0 MPa时慢。实验结果显示，对于给定的CLHP存在一个最佳充装压力，在该充装压力下的降温过程中主蒸发器能够以最短时间达到稳定状态。对于采用的CLHP，其最佳充装压力在1.0 MPa左右。

图6 充装压力对启动时间的影响关系Fig.6 Time of supercritical startup versus filling pressure

图7 给出了降温稳定时主要特征点温度随充装压力的变化情况(Q1=0 W，Q2=4 W)。随着压力的增大，主蒸发器和主储液器的温度都逐渐升高。这是由于充装压力增大，回路内的饱和压力增大，使得回路温度升高。另外，实验发现当充装压力较小时(如图7中的0.5 MPa和0.7 MPa)，所测得的副蒸发器温度很高。特别是当充装量为0.5 MPa时，副蒸发器温度已经高于临界温度，但最后回路仍然实现了主蒸发器的降温过程，表明此过程中的副蒸发器仍处于运行状态。为何副蒸发器温度偏高，分析其原因是由于充装压力小时，随着降温过程的不断进行，大部分工质都转移到了主储液器和主蒸发器中，使得副蒸发器侧的工质量相对不足。与一般的环路热管不同，虽然副蒸发器中的工质量不足，但是由于CLHP副储液器与热沉是直接相连的，其作用相当于冷凝器。因此，只要冷却效果好，副储液器中就会不断有凝结液形成并进入毛细芯中，当所加功率不是很大时也不会出现毛细芯完全烧干的情况，所以回路仍然可以维持运行。

图7 主要特征点温度随充装压力的变化Fig.7 Temperature variations of critical parts versus filling pressures

需要注意的是，充装压力对启动时间的影响并非绝对的，因为在充装压力大的情况下仍然可以通过增加副蒸发器功率，以加快主蒸发器的降温过程，缩短启动时间，如图5中所示。

4 结论

对深冷环路热管的超临界启动过程进行了描述，并通过实验研究了储气室位置、副蒸发器功率以及充装压力对超临界启动过程的影响，结果表明:

(1)CLHP储气室的两种接入位置(蒸气管线和次回路回流管线)都能实现超临界启动，只是受补气路径的不同其启动现象会存在差异。另外，建议储气室应尽量远离主蒸发器侧，以减小其对主蒸发器的漏热影响。

(2)在系统漏热量一定时，副蒸发器存在一个最小启动功率，在副蒸发器功率大于或等于该功率时，才能使主蒸发器达到启动条件(毛细芯得到液体浸润)，而小于该功率时主蒸发器受寄生漏热的影响，不能实现液体工质对其毛细芯的良好浸润。

(3)对于回路结构一定的CLHP，当副蒸发器功率一定时，其存在一个最佳充装压力，在该充装条件下能使得启动过程最为迅速。

1 BugbyD，StoufferC，GarzonJ，etal．Advanceddevicesforcryogenic thermalmanagement［J］．AdvancesinCryogenicEngineering，America InstituteofPhysics，2006．

2 ParkerML．ModelingofLoopHeatPipewithApplicationstoSpacecraftThermalControl［D］．Pennsylvania:FacultyofMechanicalEngineeringandAppliedMechanics，UniversityofPennsylvania，United States，2000．

3 MaidanikYF，SolodovnikNN，FershtaterYG．Investigationofdynamicandstationarycharacteristicsofaloopheatpipe［C］．Proceedingsofthe9thInternationalHeatPipeConference，Albuquerque，1-5 May，1995:1002-1006．

4 KuJT．OperatingCharacteristicsofLoopHeatPipes［R］．Societyof AutomotiveEngineers，1999．

5 张红星．环路热管两相传热技术的理论和实验研究［D］．北京:北京航空航天大学，2006．

6 邱信立，廉乐明，李力能．工程热力学(第三版)［M］．北京:中国建筑工业出版社，1992．