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多尺度微细结构强化回路热管传热的研究

赵紫薇  
【摘要】:环路热管(Loop Heat Pipe, LHP)是一种利用蒸发器内毛细芯中工质的相变实现热量传递的装置,具有高效率、低热阻、远距离、灵活布置等优点,是航天、电子器件散热的重要元件。本文设计开发了一种可拆式平板环路热管测试系统,该设备主要由蒸发器、冷凝器、气体管路和液体管路组成,其中毛细芯是蒸发器及整个环路热管的核心部件。 本文拟采用由粉末烧结制备、孔径大小具有不同尺度级别特征的孔隙结构,即多尺度微细结构,作为环路热管的毛细芯。可视化池沸腾实验表明,相同条件下,多尺度微细表面临界热流密度是光表面的3.7倍,这是因为前者有效分离了气液两相的流动,其中微米数量级的金属颗粒间小孔提供了液体的循环驱动力,而毫米数量级的槽道则作为蒸汽的溢出通道。根据多尺度表面强化池沸腾的机理,本文对表面结构进行适当改进,研制一种可应用于平板式蒸发器的新型多尺度复合烧结毛细吸液芯。该毛细芯具有三层结构——第一层,毛细主芯,其平行蒸汽槽道是较小的铜粉颗粒直接烧结成型:第二层,次毛细芯,由较大的铜粉颗粒直接堆砌烧结;第三层,次毛细芯,一定厚度的隔热棉组成,阻止热量从蒸发器流向补偿腔内。其中毛细主芯是液体相变的场所,直接关系到热管的工作运行。 以去离子蒸馏水为工质,研究了平板式环路热管的启动、运行特性。实验发现,与具有相同结构的传统实心结构相比,所制备的多尺度毛细吸液芯增加了液体工质相变场所的表面积,有效分离气液通道的分离。相同条件下,启动所需时间仅为后者的1/3,运行过程中壁温较后者下降可达20-30℃。热管可实现低功率下的快速启动,高功率中的稳定运行。其次,热管运行同样受到毛细吸液芯结构,如翅片宽度、间距等因素影响,其中前者关系到液体补偿作用,后者与蒸汽流动有关,实验证明二者比值在1.5-2的范围内,系统具有较好的启动性且运行稳定。 同时,本文对比了具有不同充液率热管的实验运行。充液率较大时,启动速度减小,且壁面温度升高;充液率减小,则温度波动明显,且热管更容易达到临界热流密度。对于本系统而言,51.3%的充液率时,温度运行稳定,且启动速度与更小充液率的速度相差较小。值得指出的是,倾角同样受到了充液率的影响,某一充液率,存在固定的热管最佳运行角度范围。


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