环路热管多孔结构的毛细抽吸性能及其制备与优化

【摘要】：环路热管(LHP)是一种新型的热管——利用相变换热的高效传热装置,具有传热能力大、传输距离远、安装和布局方便、反重力运行能力强等诸多优点,在高热流密度电子散热尤其是航空航天热控制领域得到了越来越广泛的应用。 本文首先建立了环路热管传热的分析模型,推导得出环路热管稳定工作时的传热热流量可表示为工质的汽化潜热和毛细芯抽吸工质的质量流量的乘积。这从理论上表明工质和毛细芯是影响环路热管传热性能的关键因素,而毛细芯通过毛细力抽吸工质的行为则是其中重要的基础问题。随后建立了多孔结构通过毛细力抽吸工质的模型,推导了毛细抽吸量的数学表达式,并用实验对其进行了验证。研究结果表明,多孔结构通过毛细力抽吸工质时,其抽吸量按照指数增长函数的规律变化,该指数增长函数的偏置值和幅值互为相反数,大小等于多孔结构的孔隙率、横截面积和高度与工质的密度的乘积。该指数增长函数的时间常数的大小则等于多孔结构的相对渗透率和孔隙率的比值、工质的密度以及重力加速度的乘积的倒数,也就是说最终的抽吸量取决于多孔结构总孔隙体积的大小,而抽吸的速率则随着多孔结构的渗透率与孔隙率的比值的增大和工质密度的增大而增大。对推导得出的多孔结构毛细抽吸量的数学表达式分别进行了定性分析实验验证和定量计算实验验证。实验的结果均与用所推导得到的毛细抽吸模型分析得出的结果吻合良好。 探讨了所建立的环路热管传热分析模型和多孔结构毛细抽吸模型的相关研究的一些应用。研究结果表明多孔结构毛细抽吸的快慢即是毛细抽吸力和渗透率的综合平衡,本文将这种表征多孔结构通过毛细抽吸力抽吸工质快慢的能力称为毛细抽吸性能。在相同的时间内,多孔结构抽吸的工质越多,也就是抽吸的速度越大,则说明其毛细抽吸性能越好。通常认为用于LHP的毛细芯提供的毛细抽吸力和渗透率均越大越好,但它们是矛盾的、此消彼长的关系,毛细抽吸性能则正好是它们的综合平衡的体现。毛细抽吸性能的实验方法可以用来测量多孔结构的渗透率,该方法与传统的测量渗透率的方法相比具有测试方便、密封要求低、流体驱动力为毛细抽吸力等优点,因而更适合用来衡量热管使用的毛细芯。 在多孔结构毛细抽吸性能研究的基础上,进一步研究了室温下工质的表面张力、密度和粘度等物性参数对多孔结构的毛细抽吸性能的影响,结果表明多孔结构通过毛细力抽吸不同的工质时,在多孔结构的高度小于其毛细抽吸的极限高度的情况下,最终的毛细抽吸量的大小由多孔结构内部的总孔隙体积决定,抽吸的速率随着工质的表面张力以及密度的增大而增大、随着工质的粘度的增大而减小。此结果是与用工质传输品质因数在不考虑汽化潜热因式的影响的情况下分析得出的结果相吻合的。工质传输品质因数只衡量了热管工质的性能,本文探明了LHP的传热热流量、工质的传输品质因数和物性参数、毛细芯的毛细抽吸性能之间的关系,提出了用毛细芯的毛细抽吸性能来研究LHP的传热性能的分析方法,这对指导环路热管的设计和优化具有一定的意义。 本文所建立的环路热管的传热分析模型和多孔结构的毛细抽吸模型及其实验方法除了具有上述的应用外,它们还可以用于指导毛细芯的优化。例如,本文的优化研究结果表明毛细芯的厚度存在一个最佳值,这与许多文献的研究结果是一致的；在毛细芯的孔径和孔径分布相同、毛细抽吸力也满足要求的情况下,毛细芯的孔隙率越大,对提高环路热管的传热性能也就越有利。 基于上述研究结果,使用粉末冶金的方法结合造孔剂技术制备了一批高孔隙率的毛细芯,研究了制备参数对毛细芯孔隙参数的影响。实验结果表明：当使用微晶纤维素(MCC)作为造孔剂时,成型压力每增大10MPa,毛细芯的孔隙率约减小6.32%；造孔剂添加量每增加10wt%,毛细芯的孔隙率约增加6.64%；随着造孔剂添加量的增加,毛细芯的平均孔径变大、孔径分布趋向于更分散。 采用瞬态平面热源法,研究了使用不同成型压力和不同造孔剂添加量制备的LHP毛细芯的导热系数、热扩散系数和单位体积热容,探明了这些热常数与孔隙率以及制备时所用的成型压力和造孔剂添加量之间的关系。研究结果表明：随着孔隙率的增大,导热系数呈现出单调下降的趋势,但热扩散系数和单位体积热容却与孔隙率的关系并不明显；含水毛细芯的导热系数和单位体积热容均比相同参数下干态的要大,但热扩散系数的情况却不完全如此；随着成型压力的增大,毛细芯的导热系数显著增大,热扩散系数和单位体积热容变化情况不一；随着造孔剂添加量的增大,毛细芯的导热系数和单位体积热容显著降低,热扩散系数明显增大。采用添加适量造孔剂的方法,可以制备得到较大孔隙率、较大强度、较小导热系数的毛细芯。 在研究制备参数对毛细芯孔隙率和热物性参数的影响的基础上,提出了一种制备毛细芯时有效控制其孔隙率等参数的方法并进行了实验验证,结果表明用此控制方法制备孔隙率为75%的毛细芯时其孔隙率误差在6%之内。进一步研究后还发现当调控成型压力和造孔剂含量使得毛细芯的孔隙率相同时,毛细芯可以具有不同的毛细抽吸性能和强度以及相同的导热系数,这为毛细芯的优化制备和环路热管传热性能的强化提供了重要参考。 最后探讨了LHP制造中的一些重要问题并实际制造了若干LHP实验件并进行了传热特性实验研究。对完整的LHP进行实验研究,结果表明,热源功率越大,LHP启动越快,最后稳定工作的温度值也越高。通过对环路热管在开环(即没有连接蒸汽管路)的情况下进行实验研究,避开工质循环和冷凝器等方面带来的影响,专注研究毛细芯孔隙率和热源功率对蒸发器启动和运行特性的影响,研究结果表明：在某些条件下,毛细芯蒸发器启动时其温度会出现剧烈的波动；毛细芯孔隙率越大,产生温度波动所对应的热源功率越小；毛细芯相同时,热源功率越大,越容易出现温度波动,并且温度波动的程度越剧烈。温度波动的原因是热源功率和毛细芯孔隙率等参数不匹配。 总之,通过本文的研究,可以得到一系列强化环路热管传热性能的解决方案,总的来说就是：根据工作温度等要求,选用较大汽化潜热值的工质；然后根据传输距离和反重力运行高度的需要确定所需的最小毛细抽吸力；最后在确保毛细芯的毛细抽吸力满足要求的前提下,采用较好毛细抽吸性能的毛细芯。本文对多孔结构的毛细抽吸性能展开了深入的研究,结合环路热管的传热分析模型,对毛细芯的孔隙率、厚度、孔径、孔径分布及其与LHP的热源功率等外部参数的匹配等进行了优化研究,并探讨了实现优化结果的具体制备技术。