孫琦，陳曦*，謝榮建

(1-上海理工大學(xué)，上海200093；2-中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

3D打印鈦合金毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的實驗研究

孫琦1，陳曦*1，謝榮建2

(1-上海理工大學(xué)，上海200093；2-中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

為模擬環(huán)路熱管（LHP）中毛細(xì)芯真實運行的情況，本文設(shè)計了一臺實驗裝置，在室溫下測定毛細(xì)芯工作時的表面溫度，對環(huán)路熱管蒸發(fā)段毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)進行了詳細(xì)的實驗測試。本文以3D打印的鈦合金毛細(xì)芯為研究對象，分別采用乙醇和水為工質(zhì)，研究了工質(zhì)進口溫度、工作壓力、浸沒深度等參數(shù)對毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并對研究毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)對環(huán)路熱管傳熱性能的影響提供了有價值的實驗數(shù)據(jù)。

有效導(dǎo)熱系數(shù)；毛細(xì)芯；環(huán)路熱管

0 引言

環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是一種高效的傳熱裝置。它利用蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動回路運行，工質(zhì)在毛細(xì)芯外側(cè)相變產(chǎn)生蒸汽,沿氣體管路進入冷凝器冷凝為液體，再沿液體管路流入毛細(xì)芯的液體干道完成循環(huán)。LHP結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、可控制、體積小[1-2]，被廣泛應(yīng)用于航空航天和電子散熱領(lǐng)域[3]。而毛細(xì)芯作為環(huán)路熱管的關(guān)鍵部件，其特性參數(shù)將直接決定環(huán)路熱管內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱特性[4]。其中，毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)是表征其傳熱能力最重要的參數(shù)，等效熱導(dǎo)率低的毛細(xì)結(jié)構(gòu)有利于減小從蒸發(fā)器到補償器的熱泄漏，減小環(huán)路熱管的最低啟動功率[5]，但同樣也意味著使液體汽化的傳熱能力減弱了[6-7]，二者相互制約，因此研究其影響因素對于優(yōu)化LHP系統(tǒng)的性能具有非常重要的意義。

PETERSON 等[8]在 25 ℃～100 ℃的溫度范圍對燒結(jié)的鎳芯和銅芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)進行了測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論毛細(xì)芯是在干燥或完全潤濕的條件下，毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都是其燒結(jié)金屬的導(dǎo)熱率、孔隙率和平均溫度的函數(shù)。MO等[9]通過熱常數(shù)分析儀測量了填充有水、乙二醇和甘油的多孔燒結(jié)鎳材料的有效熱導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)，多孔介質(zhì)的熱導(dǎo)率取決于流體的熱導(dǎo)率、填充比率和材料的孔隙率。崔可航等[10]采用瞬態(tài)平面熱源法，研究了毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)，實驗測得燒結(jié)的干鎳芯導(dǎo)熱系數(shù)為11.4 W/(m·K)，濕芯導(dǎo)熱系數(shù)為13.9 W/(m·K)。結(jié)果還表明，隨著孔隙率的增大，導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢。IVERSON等[11]同樣建立了實驗臺對毛細(xì)芯的熱導(dǎo)率進行測量。他們發(fā)現(xiàn)低功率下，毛細(xì)芯濕芯的熱導(dǎo)率隨輸入功率的增加而增加，在大約40 W的功率水平下，熱導(dǎo)率開始逐漸減小。XIN等[12]制造了一系列具有不同比例銅粉和鎳粉的毛細(xì)芯，通過建立相關(guān)的測試平臺測量了其有效的熱導(dǎo)率。實驗發(fā)現(xiàn)，組成60%鎳和40%銅的毛細(xì)芯的熱導(dǎo)率在測試范圍內(nèi)是最低的。

本文建立了有效導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺，選取3D打印的鈦合金毛細(xì)芯為研究對象（尺寸為φ20 mm×80 mm，孔隙率為 0.6），研究了工質(zhì)的進口溫度、工作壓力及浸沒深度等參數(shù)對開式環(huán)路熱管中毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。研究成果為將來研制高效的毛細(xì)芯提供了基礎(chǔ)實驗依據(jù)，并為研究有效導(dǎo)熱系數(shù)對環(huán)路熱管傳熱性能的影響奠定了基礎(chǔ)[13]。

1 實驗測試原理

本文采用穩(wěn)態(tài)法進行毛細(xì)芯表面溫度的測量。假設(shè)毛細(xì)芯在宏觀上均勻且各向同性，為測得毛細(xì)芯工作狀態(tài)下的熱物性，在其表面等間距取若干溫度測點，在加熱條件穩(wěn)態(tài)工況下毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)為：

式中：

qin——輸入到毛細(xì)芯真實的加熱功率，W；

U——穩(wěn)壓電源輸入的電壓值，V；

I——穩(wěn)壓電源輸入的電流值，A。

式中：

Ax——毛細(xì)芯橫截面積（3.14×10-4m2），m2；

leff——毛細(xì)芯的有效高度（取75 mm），mm；

T1——測點1溫度，℃；

T7——測點7溫度，℃。

式中：

q——輸入功率，W；

qin,loss——熱損失，W；

qcond——由于導(dǎo)熱引起的加熱損失，W；

qconv——由于自然對流引起的加熱損失，W；

qrad——由于輻射而引起的加熱損失，W。

本裝置的毛細(xì)芯采用懸掛法固定在容器上方，最大程度上減少由于接觸而引起的導(dǎo)熱損失，可忽略不計。由于自然對流和輻射換熱引起的加熱損失根據(jù)Churchill-Chu自然對流關(guān)系式（RaL≤109）[14]和兩同心圓柱表面間的輻射傳熱公式進行校正，用于計算RaL的驅(qū)動溫差是基于毛細(xì)芯的7個測點的平均溫度Tm和恒定的腔體溫度，而L是加熱片和液池之間的芯的暴露長度。計算中使用的氣體物性采用腔體壓力進行評估。則有：

式中：

Ts——毛細(xì)芯下端表面的平均溫度，℃；

Ta——腔體內(nèi)的溫度，℃；

ε1——毛細(xì)芯的發(fā)射率（取0.3）；

A1——毛細(xì)芯的表面積（5×10-3m2），m2；

ε2——測試容器壁面的發(fā)射率（取0.3）；

A2——測試容器壁面的表面積（0.12 m2），m2。

當(dāng)輸入功率為7 W時，計算得到的對流損失為0.22 W,輻射損失為0.16 W,總的熱損失占整個輸入功率的5.43%。

2 實驗系統(tǒng)介紹

為模擬環(huán)路熱管中毛細(xì)芯的真實運行情況，本文設(shè)計的測試容器如圖1所示。毛細(xì)芯頂部通過懸掛法豎直固定在容器上部，底部浸沒在工質(zhì)中，浸沒深度用H表示。面積與毛細(xì)芯頂部一樣大小的陶瓷加熱片貼在毛細(xì)芯上端表面，7個鉑電阻（pt1000）以 30°和等距10 mm的方式沿軸向環(huán)繞貼在毛細(xì)芯表面測溫（圖2），并通過連接數(shù)據(jù)采集儀和電腦每隔 10 s自動記錄一次溫度的變化。容器內(nèi)置冷卻銅管和翅片管，里面流通冷卻水，控制工質(zhì)維持在恒定溫度。實驗時，毛細(xì)芯會克服重力作用抽吸工質(zhì)[15]，施加一定的加熱功率后，當(dāng)工質(zhì)的溫度達(dá)到蒸發(fā)溫度時，工質(zhì)就會在毛細(xì)芯表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽遇到翅片管會凝結(jié)成水珠回落到裝置底部，保證液面高度恒定，完成循環(huán)[11]。

圖1 實驗測試容器剖面圖

圖2 毛細(xì)芯測點分布圖

在連接測試容器時，安裝了兩個閥門。閥門1接真空泵將容器內(nèi)部抽成真空，閥門2連接滴定管用于充裝工質(zhì)，如圖3所示。充裝工質(zhì)時，先把閥門1打開，再開啟真空泵，當(dāng)真空泵的屏幕顯示到10-3Pa時則達(dá)到實驗要求，此時將閥門1關(guān)閉。向滴定管內(nèi)倒入工質(zhì)，打開閥門 2，充裝好后關(guān)閉閥門2，即可開始實驗。

圖3 測試容器閥門連接圖

3 實驗結(jié)果與討論

導(dǎo)熱系數(shù)的測量誤差主要有溫度測量誤差和熱流測量誤差。熱流測量誤差已通過計算對流，輻射損失進行校正，實驗所使用的鉑電阻測溫的相對誤差為0.1%。

3.1 工質(zhì)進口溫度對毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響

按上述步驟將容器內(nèi)部抽成真空，充入工質(zhì)水或乙醇，此時壓力表顯示容器內(nèi)仍是負(fù)壓狀態(tài)（P=14 kPa）。再通過調(diào)節(jié)水冷溫度至5 ℃、15 ℃、25 ℃來控制毛細(xì)芯吸入工質(zhì)的進口溫度Tf，分別采用乙醇和水作為工質(zhì)，在不同的加熱功率下測量毛細(xì)芯的表面溫度，計算其有效導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)值是隨著加熱功率的增加先增大后減小，這是由于隨著加熱功率的不斷增大，毛細(xì)芯表面的溫度也會隨之上升，達(dá)到此壓力下工質(zhì)的沸點，但工質(zhì)不會馬上被蒸干，一段時間后，工質(zhì)減少，輸入毛細(xì)芯的加熱功率不再用來蒸發(fā)，大部分熱量用來使毛細(xì)芯的表面溫度升高，因此，此時毛細(xì)芯的表面溫度上升迅速，但有效導(dǎo)熱系數(shù)值卻隨之減小。當(dāng)處于低加熱功率下時，工質(zhì)進口溫度6 ℃和16 ℃左右對應(yīng)的毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)值相近，而25 ℃左右時有明顯增長，因為此時水和乙醇的浸潤性增加。但在高加熱功率下，無論工質(zhì)的進口溫度為多少，毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)值最后都穩(wěn)定在5 W/(m·K)左右。該導(dǎo)熱系數(shù)值仍比毛細(xì)芯干芯的導(dǎo)熱系數(shù)值大，因為工質(zhì)仍會不斷被抽吸，毛細(xì)芯內(nèi)不會完全沒有工質(zhì)。

圖4 不同進口溫度下含乙醇毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)

圖5 不同進口溫度下含水毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)

3.2 工作壓力對毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為了研究工作壓力對毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，分別在真空環(huán)境下和常壓環(huán)境下采用乙醇和水兩種工質(zhì)對不同加熱功率下的毛細(xì)芯的表面溫度進行了測量并計算了有效導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖6和圖7所示。

由乙醇和水的物性可知，在絕對壓力P=14 kPa下，乙醇的沸點為35.14 ℃，水的沸點為52.56 ℃。從圖6和圖7以看出，含乙醇和含水的毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都是隨著溫度的上升先增加，分別在30 ℃和50 ℃左右時，基本達(dá)到了此壓力下乙醇與水的沸點，此時的有效導(dǎo)熱系數(shù)值最大，之后隨著溫度的不斷上升，毛細(xì)芯被逐漸蒸干，變成純導(dǎo)熱，因此有效導(dǎo)熱系數(shù)值又逐漸減小。在P=101 kPa下，乙醇的沸點為78 ℃，水的沸點為100 ℃。從圖6可以看出在60 ℃左右，毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)值才逐漸減小。圖7毛細(xì)芯的平均溫度未超過100 ℃，在此次的實驗條件下，未達(dá)到水的沸點，因此導(dǎo)熱系數(shù)一直保持上升的趨勢。在低溫低壓下，含乙醇和含水毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)大于常壓下的導(dǎo)熱系數(shù)，而在高溫下結(jié)果正相反。

圖6 不同工作壓力下含乙醇毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)

圖7 不同工作壓力下含水毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)

3.3 浸沒深度對毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為了研究浸沒深度對毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，通過改變工質(zhì)的充裝質(zhì)量來控制毛細(xì)芯浸沒工質(zhì)的深度，采用乙醇為工質(zhì)測量了在不同加熱功率下浸沒5 mm和25 mm兩種情況下毛細(xì)芯的表面溫度，并計算了毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如圖8和圖9所示。

從圖8可以看出，當(dāng)毛細(xì)芯浸沒深度為25 mm時，測點5～7全部浸沒在工質(zhì)中，因此隨著加熱功率的增加，這3點溫度的變化非常?。欢渌麕讉€測點隨著加熱功率的增加，溫度上升明顯。當(dāng)加熱功率增大到一定程度時，測點2和測點3周圍的工質(zhì)被蒸干，溫度增加的速度變快。

從圖9兩條曲線中可以看出，無論浸沒深度多少，隨著加熱功率的增加，毛細(xì)芯的平均有效導(dǎo)熱系數(shù)都呈先增大再減小的趨勢，最后趨向于同一值。在低加熱功率下，浸潤深度為25 mm的有效導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于浸潤深度為5 mm的，這是由于浸沒深度的增加使毛細(xì)芯溫度分布得更均勻，毛細(xì)芯表面的平均溫度減小，因此需要達(dá)到毛細(xì)芯沸點溫度的加熱功率增加。

圖8 浸沒深度為25 mm時毛細(xì)芯的測點溫度分布（乙醇）

圖9 不同浸沒深度下毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)（乙醇）

4 結(jié)論

本文以鈦合金毛細(xì)芯為研究對象，利用穩(wěn)態(tài)法計算了毛細(xì)芯工作狀態(tài)下的有效導(dǎo)熱系數(shù)，分析了工質(zhì)進口溫度、工作壓力、浸沒深度等參數(shù)對開式環(huán)路熱管毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的影響，為其性能的提高提供了實驗依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1） 隨著加熱功率的增加，毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)值都呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，最后趨向于自身的熱導(dǎo)率，這個規(guī)律在IVERSON的實驗中也已經(jīng)得到了證明；

2） 在低壓條件下，含乙醇毛細(xì)芯的最大有效導(dǎo)熱系數(shù)為14.95 W/(m·K)，含水毛細(xì)芯的最大有效導(dǎo)熱系數(shù)為10.79 W/(m·K)；

3） 處于低加熱功率下，工質(zhì)的進口溫度高會影響工質(zhì)對毛細(xì)芯的浸潤性，對應(yīng)的有效導(dǎo)熱系數(shù)值增大，但在高加熱功率下影響不大；

4） 工作壓力大小會影響工質(zhì)的沸點進而影響毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)最大值的出現(xiàn)位置；

5） 浸沒深度的增加使毛細(xì)芯的平均溫度更加均勻，毛細(xì)芯表面的平均溫度減小，需要達(dá)到毛細(xì)芯沸點溫度的加熱功率增加。

[1]章學(xué)來,于美,于樹軒,等.一種新型相變材料及其熱管式換熱器的研究[J].制冷技術(shù), 2010, 30(4): 14-17.

[2]翟篤棉,魏華鋒,嚴(yán)大煒,等.中溫?zé)峁軗Q熱器內(nèi)傳熱特性的研究[J].制冷技術(shù), 2013, 33(1): 34-38.

[3]趙同樂,吳靜怡,張晉晉,等.充注量對水冷式環(huán)路熱管性能影響的實驗研究[J].制冷技術(shù),2017,37(1):18-22.

[4]曲付龍.平板式環(huán)路熱管毛細(xì)芯的研制及性能表征[D].濟南:山東大學(xué), 2012

[5]莫冬傳,丁楠,呂樹申.熱泄漏對環(huán)路熱管的傳熱特性影響的研究[C]// 中國工程熱物理學(xué)會多項流 2009年學(xué)術(shù)會議,大連, 2009.

[6]徐計元,鄒勇.環(huán)路熱管毛細(xì)結(jié)構(gòu)的研究進展[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(8): 65-73.

[7]BAI L, LIN G, ZHANG H, et al. Mathematical modeling of steady-state operation of a loop heat pipe[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(13): 2643-2654.

[8]Peterson G P, Fletcher L S. Effective thermal conductivity of sintered heat pipe wicks[C]// Thermophysics and Heat Transfer Conference,Boston,Massachusetts,2012:343-347.

[9]MO S, HU P, CAO J, et al. Effective Thermal Conductivity of Moist Porous Sintered Nickel Material[J]. International Journal of Thermophysics, 2006, 27(1): 304-313.

[10]崔可航,辛公明,程林,等.環(huán)路熱管毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報,2010,31(9):1543-1546.

[11]IVERSON B D, DAVIS T W, GARIMELLA S V, et al.Heat and Mass Transport in Heat Pipe Wick Structures[J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2012, 21(2):392-404.

[12]XIN G,CHENG L.Investigation of Lower Thermal Conductivity Ni-Cu Wicks for Loop Heat Pipes[C]// ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Houston, Texas, USA, 2012: 2731-2734.

[13]IVERSON BD,GARIMELLA SV.Experimental Measurements of Heat and Mass Transport in Heat Pipe Wicks[C]// ASME2004Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference, Anaheim, California,USA, 2004: 209-217.

[14]SINGH A K, SINGH R, CHAUDHARY D R. Prediction of effective thermal conductivity of moist porous materials[J]. Pharmacogenomics, 2000, 14(6): 455-457.

[15]李金旺,鄒勇,程林.環(huán)路熱管毛細(xì)芯熱物性實驗研究[J].中國電機工程學(xué)報, 2010, 30(17): 57-61.

Experimental Study on Effective Thermal Conductivity of 3D-printed Titanium Alloy Capillary Wick

SUN QI1, CHEN XI*1, XIE Rong-jian2
(1-University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2- Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)

In order to simulate the real operation of the capillary wick in loop heat pipe (LHP), an experimental device was designed to determine the surface temperature during the operation of the capillary wick at room temperature, and the effective thermal conductivity of the capillary wick in the evaporative section of LHP was studied in detail.Theinfluenceof parameterssuch astheinlet temperature,theworking pressure and the immersion height on the effective thermal conductivity was analyzed by using 3D-printed titanium alloy capillary wick and by taking ethanol and water as the working fluid respectively, which provides valuable experimental data for studying the effect of effective thermal conductivity on the heat transfer performance of LHP.

Effective thermal conductivity; Capillary wicks; Loop heat pipe

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.05.102

*陳曦（1977-），男，博士，副教授。研究方向：低溫制冷機、強化傳熱技術(shù)、新型制冷技術(shù)及壓縮機。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號能動學(xué)院，郵編：200093。聯(lián)系電話：13816426670。E-mail: Chenxistudy@163.com。