紧凑型平板环路热管实验研究

田亚玲，张海南，徐洪波，田长青

（1中国科学院空间功热转换技术重点实验室，中国科学院理化技术研究所，北京100190；2中国科学院大学，北京100049）

引 言

随着信息技术的高速发展，尤其是电子设备趋于集成化、智能化发展，电子芯片的产热量呈指数增长。热量高密度化，对高效传热设备提出了更高的需求。热管作为数据中心高效传热元件之一，无需提供额外动力能通过很小的空间将大量热量进行远距离的传输，近年来众多研究者开展了关于热管散热性能的综合研究，基于热管在传热方面占据了很大的优势，广泛应用于数据机房、电子设备冷却、航天设备等领域[1-2]。

与重力热管不同的是，环路热管（loop heat pipe，LHP）是一种用液体管路和蒸气管路把蒸发器和冷凝器连接起来的两相传热装置，蒸发器吸收热量，通过蒸发器外壳导热加热毛细芯体内的液体工质使其温度升高并吸收相变潜热快速蒸发，气体工质流经气体管线至冷凝器被冷却成液体，液体工质在气体工质压差的推动力与毛细芯抽吸力的合力下经过液体管线回到蒸发器内的储液腔并被毛细芯吸收，如此循环完成传热过程。毛细芯平板蒸发环路热管作为一种解决高密度散热问题有效方案，具有传热系数高、能远距离传热、结构灵活等特点，在数据中心散热、航天设备冷却等方面均显现出明显的优势和发展前景[3-4]。

近年来，众多研究者[5-8]在环路热管方面展开了广泛的研究，主要包括工质、放置倾角、充液率、环路结构和加热功率等对传热性能及启动性能的影响。环路热管的传热性能受很多因素的影响。蒸发器作为其中的核心部件，毛细芯的特性参数直接影响到LHP的运行。目前，最为常见的吸液芯有沟槽式[9-10]、丝网式[11-12]、烧结式[13-15]、纤维式[16-18]等。

随着电子产品小型化、高集成化的发展，具有平板蒸发器的环路热管方便与发热面贴合，体积更小，因此近年来平板环路热管的研究相对盛行。针对高热流电子设备LED灯、计算机CPU芯片等研发的微小型环路热管，其厚度更薄，相对于传统圆柱形环路更具有优势，有着更大的潜力[19]。Singh等[20-21]针对服务器CPU散热设计了蒸发器厚度小于10 mm的平板环路热管，实验结果表明该热管在70 W的热负荷时热阻仅为0.17 W/K。Maydanik等[22]为了配合狭小空间的电子元件散热制作了蒸发器厚度为7 mm平板式不锈钢-丙酮环路热管，并对各个倾角下环路热管的运行性能进行了测试，实验结果表明角度对该种环路热管的运行影响不大，各个角度放置情况下工作性能几乎相同。Zhou等[23]制造了蒸发器厚度为1 mm的超薄环路热管用于手机散热，实验结果表明此种环路热管可以在2 W的热负荷下启动，并且具有很低的热阻，可以有效地对手机进行散热。张晋晋等[24]制作了带横向补偿平板型环路热管，大大减薄了环路热管蒸发器的厚度，取得了良好的散热效果。盖东兴等[25-26]研究了加热面积为40×30 mm2、工质为甲醇和丙酮小型平板环路热管传热性能。结果表明温度波动的热负荷范围受系统放置倾角、工质充液量等因素的影响，其波动出现在一部分热负荷范围内，在较高热负荷下能平稳运行。相对于丙酮，以甲醇为工质时系统发生温度波动的范围广且更剧烈。进一步对以甲醇为工质的平板环路热管进行了详细的温度波动特性研究。在相同热负荷及放置倾角条件下，系统在高充液率工况下的温度波动更加剧烈；在改变倾角时，随着倾角的增大温度波动由振幅大、周期长变得振幅小且周期短。Kiseev等[27]和汪双凤等[28]研究对比了采用不同毛细芯结构的LHP的热传输性能，并指出当毛细芯厚度为5～7 mm时，LHP蒸发器的性能最佳。Maydanik等[29]和Li等[30]分别对含镍粉和铜粉毛细芯平面矩形蒸发器的微型铜-水LHP进行测试，均表现出良好的散热性能和较低的热阻。他们同时还指出可以通过优化蒸发器毛细结构，如调节毛细芯孔径大小、设计蒸气通道等方法来改善LHP中的运行不稳定性和温度周期性振荡。

目前研究的环路热管结构大多采用有机材质的密封结构，加工与装配较为复杂，蒸发器体积较大，在使用中容易发生泄漏。本文介绍了一种易加工、结构紧凑的平板环路热管结构。同时，实验研究了其在不同工况下的启动特性和传热特性，为紧凑型平板环路热管的研究与应用提供参考。

1 实验系统介绍

1.1 系统介绍

紧凑型环路热管测试系统的示意图如图1（a）所示。实验装置主要包括测试的环路热管、加热块、功率控制调压器、温度采集系统、冷水机组。环路热管由四个部分组成：蒸发器、蒸气管路、冷凝器、液体管路。平板蒸发器表面布置了3个测温点（储液腔表面布置1个热电偶、蒸发段加热面布置1个热电偶，蒸发段加热面背面布置1个热电偶，并且分别处于储液腔和蒸发段中心位置），由于平板蒸发器尺寸较小，没有在平板蒸发器布置更多测温点。蒸气管路、液体管路、水侧进出口分别布置一个测温点，所用热电偶都经过校准，测温点布置如图1（c）所示。

图1 紧凑型环路热管实验系统Fig.1 Compact loop heat pipe experimental system

研究中的环路热管带一个尺寸为87 mm（长）×47 mm（宽）×7 mm（高）的平板蒸发器，如图1（b）所示，蒸发器内液体补偿腔（37 mm×42 mm×7 mm）和带9个蒸气槽道毛细芯（33 mm×2 mm×2 mm）平行布置，平板蒸发器采用铜粉烧结型吸液芯。实验中所使用的平板蒸发器制作步骤为：装填铜粉-毛细芯烧结-组装-扩散焊接。毛细芯孔隙率为50%，高温下烧结一次成型，蒸发器外壳和带槽道毛细芯通过扩散焊接无缝结合在一起，没有密封胶圈等结构，具有结构紧凑、加工方便等优势。采用SU1510扫描电子显微镜对毛细芯孔径进行观察测量，测得其孔径约为40μm。

冷凝端采用套管冷凝器（长度250 mm），冷却水与环路热管制冷工质逆流布置，冷却水由冷水机组控制恒定温度15℃。蒸气管线和液体管线都为内/外径为4/5 mm铜管。基于一氟二氯乙烷(R141b)低沸点、易启动等特性，本研究中采用R141b作为环路热管工质。加热使用的电加热块由电源通过调节电压来恒定加热量。在本实验中，环境温度控制在20～30℃范围内，环路热管外表面全部保温，实验过程中整个环路热管水平放置。利用分子泵对系统进行抽真空，真空抽至10-3Pa以下时，打开注射泵及相应阀门，在控制软件中输入注射液体容积及匹配的注射速度，点击注射后完成充注灌装，关闭环路热管阀门完成充注过程即可拆下进行测试。

本实验中所使用的测量仪器的参数及测量精度如表1所示。

表1 测量仪器的具体参数Table 1 The specification of the measuring instruments

1.2 数据处理

由于加热器与蒸发器底面通过导热硅脂紧密接触，并被保温材料包裹，热损失较小。因此，将蒸发器底壁上的加热功率Q定义为:

式中，Q为加热功率，W；U为稳压电源显示电压，V；I为稳压电源显示电流,A。

热阻是计算LHP效率的重要的热参数之一。LHP的热阻主要由蒸发器和冷凝器的热阻决定，而气液管道的热阻在大多数情况下可以忽略不计。LHP热阻可以用式(2)计算[31-32]:

式中，T8为蒸发器加热面温度，℃；T3为冷却水进口温度，℃；T5为冷却水出口温度，℃。RLHP考虑了蒸发器和冷凝器的综合效率，反映LHP系统的传热性能。

加热功率Q以及热阻RLHP的不确定度可以表示为式（3）～式（4）：

根据表1中测量仪表的精度，可得加热功率和热阻的不确定度分别为±0.11%和±3.1%。

2 结果与讨论

2.1 启动与运行曲线

2.1.1 不同加热功率下的启动 固定充液率为50%，调节加热功率，得到如图2所示不同加热功率下的平板蒸发器环路热管启动特性。刚开始加热时，温度较低，蒸发腔内无相变，主要靠对流传热向冷凝段散热，温度迅速上升；而后当温度上升到一定值时，蒸发腔内工质开始蒸发，散热速率提升，温度上升趋势逐步平缓直至稳定。

图2 不同加热功率下环路热管启动曲线Fig.2 Start-up characteristicsof heat pipe for plate evaporator loop under different heating power

当加热功率为30 W时，加热一段时间后环路热管振荡明显，这是因为加热功率较小时，蒸发器内为间歇沸腾，液体蒸发量较少不足以形成稳定的循环流量。随着加热的进行，平板蒸发器表面的温度升高，加速蒸发腔内的液体蒸发，从而温度下降；温度下降后，蒸发腔内的液体蒸发减慢，散热量下降，因此又出现温度上升。这两个过程周期性发生导致环路热管呈现周期性振荡现象。随着加热功率的增大，环路热管中的振荡逐步减弱，当加热功率增加到70 W时，振荡现象消失，环路热管平稳启动。另外，增大加热功率可以明显缩短平板蒸发器环路热管的启动时间，30 W加热量时，300 s左右环路热管才达到动态稳定状态，而70 W加热量时，200 s左右系统即达到稳定运行状态。较大加热功率有利于紧凑型平板蒸发器环路热管快速平稳启动。进一步加大加热功率，当加热功率高达100 W时，加热面温度持续升高，600 s左右上升趋势减缓。100 W时温度升高明显是由于在一定输入热量范围内，回路热管循环流量会随输入热量的增加而增大，从而导致热阻有所降低。但受到蒸发与冷凝传热系数和面积的限制，超过一定的输入热量，热管的热阻不能进一步降低，从而导致稳定温度升高。

2.1.2 不同充液率下的启动 固定加热功率为30 W，改变平板蒸发器环路热管充液率，得到如图3所示不同充液率条件下的启动特性。一方面当充液率较低时（50%），热管启动后发生剧烈振荡，难以达到稳定的运行状态；随着充液率增加，振荡现象逐渐减弱，振荡幅度减小；当充液率增加到80%时，30 W加热功率下蒸发器环路热管也能平稳启动。充液率越高，启动过程越平稳。

图3 不同充液率下环路热管启动曲线Fig.3 Start-up characteristics of heat pipe of plateevaporator loop under different filling rate conditions

另一方面，50%充液率时，加热300 s后环路热管达到相对稳定状态，60%、70%、80%充液率时系统达到相对稳定状态的时间分别为410、500、500 s，增大充液率会显著增加环路热管的启动时间。在进行环路热管充液率确定时，需综合考虑启动平稳性和启动时间。

2.1.3 变化加热量下的运行曲线 图4所示为变化加热量下带毛细芯平板蒸发器的环路热管的运行曲线。当加热功率较小时，环路热管振荡剧烈，随着加热功率的增大，振荡逐渐减弱直至消失，这与启动特性类似。当加热功率比较低时，随着加热功率增大，热通量增大，平板蒸发器中的相变传热过程得到强化，蒸发量增多，环路热管中的循环流量增加，系统散热性能得到改善。具体表现为：在一定范围内，加热功率越高，环路热管中的稳定温度越低。70%充液率时，90 W时蒸发腔表面稳定温度较50 W的表面温度低5.6℃。

图4 变化加热量下环路热管的运行温度曲线Fig.4 Operation temperature of the loop heat pipe under variousheating capacity

以上现象出现的原因为：当热通量低于一定值时，蒸发腔内只有少量的气泡，热量主要通过对流传热，传热系数较小，导致蒸发器表面温度较高；然后随着加热功率和热通量增大，核态沸腾传热占主导，热通量的增大起到强化传热的作用，导致蒸发器表面温度下降，散热效果变好；当加热功率和热通量增加到一定值时，大量的气泡附着在加热表面，继续增大热通量并不能起到明显的强化传热的效果，相变传热过程传热系数变化不大，因此增大加热功率导致蒸发器表面温度明显上升。

2.1.4 不稳定特性总结 图5总结了几种不同充液率在不同加热量下的稳定情况，包括更大范围的实验结果。如图所示，50%充液率时，加热量需达到70 W温度才相对稳定。而对于80%充液率，热通量较小时，才会发生温度振荡。这种波动是由于蒸发器内部间歇沸腾、环路内流动状态的周期性变化造成的。增大充液率和加热功率可以抑制这种振荡。

图5 温度振荡现象的工况范围Fig.5 The stabilization condition under different filling ratios with various heating loads

2.2 传热特性

选取系统启动后平板蒸发器加热面的稳定温度作为衡量不同工况下环路热管的传热性能（当环路热管呈现周期性振荡时，以振荡过程的平均值为准），得到如图6所示的50%、60%、70%、80%四个不同充液率下环路热管的传热特性。对于被测环路热管，当加热功率低于80 W时，50%充液率的环路热管平板蒸发器表面的稳定温度最低，散热效果最佳；当温度高于80 W时，70%充液率的环路热管蒸发器表面温度最低，传热特性最好。图7所示为50%、60%、70%、80%四个不同充液率下环路热管的热阻特性，可以看到当加热功率较小时，低充液率工况环路热管的传热热阻最小，对应的传热特性最佳；当系统负荷较高时（＞80 W），70%充液率的热管传热热阻最小。

图6 不同充液率下的加热面温度Fig.6 Heat transfer characteristics of the loop heat pipe under different liquid filling ratescondition

图7 不同充液率下热阻与热负荷的关系Fig.7 Relationship between thermal resistance and thermal load under different liquid filling rates

环路热管中充液率主要影响系统中工质的循环流量，随着系统中充注的工质增加，循环流量增大，冷凝过程和蒸发过程的对流传热系数发生改变，但同时循环流动的流动阻力也增大，对流传热系数和沿程流动阻力的综合作用导致存在一个最小的传热热阻，对应的即为最优充注量。当加热功率较低时，环路中气液界面两端的压差较小，克服阻力的能力较弱，增加充液率时，流动阻力的增加占主导地位，导致低充液率时性能更好；当加热功率较高时，气液界面两端压差较大，足以克服较大的流动阻力，增大充液率时，强化传热的效果占主导因素，导致较高充液率时散热效果更佳。当加热功率较低时，环路中气液界面两端的压差较小，克服阻力的能力较弱，增加充液率时，流动阻力的增加占主导地位，导致低充液率时性能更好；当加热功率较高时，气液界面两端压差较大，足以克服较大的流动阻力，增大充液率时，冷凝速度占主导因素，导致较高充液率时散热效果更佳。

3 结 论

本文设计制作了一种紧凑型带毛细芯平板蒸发器的环路热管，并测试了不同充液率以及不同加热功率条件下的启动特性和传热特性，主要结论如下。

（1）当加热功率较小时，环路热管启动过程振荡严重，随着加热功率增大，振荡逐渐减弱直至消失；充液率方面，增大充液率可以明显改善环路热管的启动特性，但同时会少量延长启动时间。较高的加热功率和加大的充液率有助于环路热管平稳启动。同时，总结了被测带毛细芯平板蒸发器环路热管稳定运行的临界工况范围。

（2）存在一个与负荷相关的最优充液率使得紧凑型平板环路热管性能最佳，这是冷凝速率和流动阻力综合作用的结果。当负荷较低时，环路热管的最优充液率较小，增大加热功率可以降低热阻；当负荷较高时，环路热管的最优充液率较高，此时继续增大加热功率，蒸发器表面温度明显上升。