陳 曦，林 毅，孫 琦，謝榮建

（1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093;2.中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083）

0 引言

1971年，前蘇聯(lián)的Maidanik等[1]在傳統(tǒng)直熱管的基礎上提出了環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe）的概念。因傳熱效率高，傳輸距離遠，能夠在失重條件下運行等優(yōu)點[2-4]，環(huán)路熱管在空間熱控制系統(tǒng)[5]，電子設備散熱[6]等領域中得到了廣泛的應用。在環(huán)路熱管中，毛細芯產生的毛細力驅動著工質不斷循環(huán)流動，使得工質在蒸發(fā)段及冷凝段產生相變換熱，形成了整個系統(tǒng)的流動循環(huán)和熱量輸送過程，所以毛細芯對環(huán)路熱管的啟動和傳熱性能起到?jīng)Q定性作用[7]。毛細芯的傳熱機理較為復雜，而利用有效導熱系數(shù)來表征毛細芯的傳熱性能是最為有效的方法[8]。近年來眾多學者對毛細芯的有效導熱系數(shù)展開了研究。

Mo等[9]用熱常數(shù)分析儀測量填充有水、乙二醇和甘油的多孔燒結鎳材料的有效導熱系數(shù)。結果表明，多孔介質的熱導率與流體的熱導率，充液率和材料的孔隙率有關。El-Nasr等[10]研究了毛細芯層的數(shù)量對環(huán)路熱管的有效導熱率和熱傳遞特性的影響，發(fā)現(xiàn)工質的流動特性取決于毛細芯的結構和芯層的數(shù)量，而熱管的傳熱特性和有效熱導率直接與工質的流動特性相關。Xin等[11]通過建立實驗測試平臺，采用穩(wěn)態(tài)導熱法對燒結毛細芯的有效導熱系數(shù)進行了實驗研究。實驗表明，燒結鎳銅毛細芯的有效導熱系數(shù)顯然小于單一組元的毛細芯，且當孔隙率增大時，其值減小，含水毛細芯的有效導熱系數(shù)相比干態(tài)毛細芯的導熱系數(shù)大，實驗數(shù)據(jù)與Alexander[12]模型的擬合性最好。宣益民等[13]分析了工質的物理性質對毛細芯抽吸性能的影響。研究顯示，應用新型工質可以改善環(huán)路熱管的傳熱性能。

毛細芯的材料結構及其性能對環(huán)路熱管的整體傳熱效率有著至關重要的影響[14]，從現(xiàn)有的相關研究來看，學者們大多針對某一具體的毛細芯進行研究，對于不同材料和結構的毛細芯研究很少。為了探討不同材料的毛細芯對環(huán)路熱管傳熱性能的影響，本文設計了一臺實驗裝置，對氮化硅、氧化鋯、3D打印的鈦合金毛細芯的有效導熱系數(shù)進行了研究。實驗采用乙醇和水為工質，測試干態(tài)、含水和含乙醇狀態(tài)下三種毛細芯的有效導熱系數(shù)。這為研究毛細芯有效導熱系數(shù)對環(huán)路熱管傳熱性能的影響及研制高效毛細芯提供了實驗依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

實驗系統(tǒng)主要包括三部分，即測量毛細芯工作時表面溫度的實驗測試容器、輔助設備和一些測量設備。輔助設備主要有真空泵、數(shù)據(jù)采集儀、加熱電源、直流電源、水冷機、液氮罐、保溫箱。測量設備包括壓力傳感器、鉑電阻、加熱片、滴定管。圖1是為本次實驗設計的測試容器。

通過懸掛法將毛細芯頂部豎直固定在測試容器上部，浸沒在液體工質中的深度為5 mm。金屬陶瓷加熱片貼在毛細芯頂端表面，7個鉑電阻（Pt1000）以30°，等距10 mm的方式沿軸向環(huán)繞貼在毛細芯表面進行測溫，測點分布如圖2所示。

采用穩(wěn)態(tài)法對毛細芯的表面溫度進行測量。為測得毛細芯在工作狀態(tài)下的熱物性，在其表面等間距取若干溫度測點，加熱條件下達到穩(wěn)態(tài)時毛細芯的有效導熱系數(shù)如式（1）。

圖1 實驗測試容器示意圖Fig.1 The schematic of experimental test container

圖2 毛細芯測點分布圖Fig.2 The distribution diagram of measuring points of capillary wick

式中：Ax為毛細芯的橫截面積，cm2；leff為毛細芯的有效高度，cm；T1為測點1的溫度，℃；T7為測點7的溫度，℃；qin為毛細芯的真實加熱功率，W。qin的計算表達式如式（2）～（3）：

式中：qin,loss為熱損失，W；qcond為導熱引起的加熱損失，W；qconv為自然對流引起的加熱損失，W；qrad為輻射引起的加熱損失，W；q為直流穩(wěn)壓電源的輸入電功率，W，可以通過直流穩(wěn)壓電源的電壓和電流計算得到。更詳細的數(shù)據(jù)處理及誤差分析見文獻[15]。

實驗測量了三種不同材料的毛細芯的表面溫度值，分別是3D打印的鈦合金毛細芯，燒結的氧化鋯毛細芯以及氮化硅毛細芯，如圖3所示。從高倍光學顯微鏡下的毛細芯橫截面圖可以看出，3D打印的鈦合金毛細芯材料為Ti64ELI粉末，逐層打印，結構規(guī)則。相比粉末或金屬燒結的毛細芯，其優(yōu)勢在于內部孔隙分布可控且均勻。這三種毛細芯尺寸大小相同，均為φ20 mm×80 mm，液體流道尺寸為φ8 mm×75 mm。

圖3 光學顯微鏡下的毛細芯橫截面圖Fig.3 The cross-section diagram of capillary wick under optical microscope

2 實驗結果與討論

2.1 三種干態(tài)毛細芯的有效導熱系數(shù)

圖4是在不同加熱功率下鈦合金、氧化鋯及氮化硅毛細芯干芯上各個測點的溫度值，用曲線進行擬合繪制成圖?？梢钥闯?，鈦合金毛細芯上的測點溫度近似線性分布，而氧化鋯、氮化硅毛細芯上的測點近似指數(shù)分布，這也可以說明3D打印的鈦合金毛細芯結構規(guī)則，可以視為各向同性，而燒結的金屬芯無法保證其內部孔隙均勻一致，視為各向異性。

圖4 三種毛細芯各測點溫度的變化曲線Fig.4 The temperature change of each measuring point of three kinds of capillary wicks

將獲得的不同溫度下三種干態(tài)毛細芯的有效導熱系數(shù)繪制成圖5，圖中毛細芯的平均溫度Tm為7個測點的溫度的平均值?？梢钥闯?，隨著加熱功率的增大，毛細芯的平均溫度不斷升高，從而導致三種毛細芯的有效導熱系數(shù)隨之增大，這符合金屬的導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。其中，氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)大于鈦合金毛細芯的，氧化鋯毛細芯的有效導熱系數(shù)最小。

圖5 不同溫度下三種干態(tài)毛細芯的有效導熱系數(shù)曲線Fig.5 The effective thermal conductivities of three kinds of dry capillary wicks

2.2 三種含水毛細芯的有效導熱系數(shù)

圖6為不同溫度下含水的三種毛細芯的有效導熱系數(shù)。p為罐內絕對壓力，H為毛細芯浸泡深度，Tf為罐內液體溫度?？梢钥闯?，氮化硅和氧化鋯毛細芯的有效導熱系數(shù)都在20～30℃之間達到一個峰值，而鈦合金毛細芯的峰值推遲至50℃左右。而后，隨著溫度的繼續(xù)上升，氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)先急劇下降，后緩慢下降。氧化鋯和鈦合金毛細芯的有效導熱系數(shù)隨溫度的下降相對緩慢。根據(jù)相關文獻[16-17]報導，高熱導率的毛細芯會加大蒸發(fā)器的徑向漏熱，導致毛細芯的有效導熱系數(shù)降低。由前面的實驗可知，在三種毛細芯中，氮化硅的熱導率是最高的。同時氮化硅的熱擴散系數(shù)較高，熱量會迅速擴散到毛細芯的內部，造成蒸發(fā)器核心內的工質容易被加熱氣化[16]，使得熱管的傳熱性能快速惡化。這是氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)急劇下降的重要原因。從文獻[15]可知，常溫下，水對鈦合金的浸潤性不好，因此在溫度較低的情況下，該芯的有效導熱系數(shù)較低，隨著溫度的上升，水對鈦合金的浸潤性變好，有效導熱系數(shù)隨之上升。同時由于鈦合金毛細芯的孔隙均勻且孔徑相對較大，減小了工質的流動阻力并為工質的蒸發(fā)及蒸氣的及時排除提供足夠的空間[18]，熱管的傳熱性能得到優(yōu)化，所以鈦合金毛細芯的峰值溫度高于另外兩種毛細芯。而后，隨著溫度的繼續(xù)上升，工質被逐漸蒸干，三種毛細芯的有效導熱系數(shù)都逐漸減小。

圖6 三種含水毛細芯的有效導熱系數(shù)曲線Fig.6 The effective thermal conductivities of three watercontaining capillary wicks

2.3 三種含乙醇毛細芯的有效導熱系數(shù)

圖7為不同溫度下含乙醇的三種毛細芯的有效導系數(shù)。由圖7可知，含乙醇的鈦合金和氧化鋯毛細芯的有效導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律相似，都是在20～30℃間達到一個峰值。由于乙醇的沸點在此絕對壓力下為35.14℃，因此隨著溫度的繼續(xù)上升，工質迅速蒸發(fā)，熱管內的液體被逐漸蒸干，所以兩種毛細芯的有效導熱系數(shù)都迅速下降。

圖7 三種含乙醇毛細芯的有效導熱系數(shù)曲線Fig.7 The effective thermal conductivity of three kinds of ethanol-containing capillary wicks

相反，從圖7中還可以看出，氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)隨溫度的變化沒有出現(xiàn)大的變化。這是因為乙醇的沸點在該絕對壓力下過低，同時氮化硅的熱擴散系數(shù)較高，造成蒸發(fā)器核心內的工質容易被加熱氣化，氮化硅毛細芯內的工質極易被燒干，幾乎沒有液體工質參與傳熱，此時毛細芯的有效導熱系數(shù)幾乎等于干態(tài)時的有效導熱系數(shù)。所以氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)沒有出現(xiàn)過大變化，只是隨溫度的上升略有增大，這符合金屬的導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。

3 結論

本文以環(huán)路熱管的關鍵結構部件——毛細芯作為研究對象，主要開展對毛細芯有效導熱系數(shù)的研究，獲得以下研究結論：

（1）在干芯狀態(tài)下，鈦合金毛細芯上的測點溫度線性分布，而氧化鋯、氮化硅毛細芯上的測點溫度近似指數(shù)分布。原因是鈦合金毛細芯結構規(guī)則，可以看成各向同性，而燒結的金屬芯無法保證其內部孔隙均勻一致，視為各向異性。

（2）在干芯狀態(tài)下，隨著熱載荷的增大，毛細芯的表面溫度不斷升高，三種毛細芯的有效導熱系數(shù)都隨之增大。其中，氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)要大于鈦合金毛細芯，氧化鋯毛細芯的有效導熱系數(shù)最小。

（3）在含水狀態(tài)下，隨著熱載荷的增大，三種毛細芯的有效導熱系數(shù)都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，最后趨向于自身的熱導率。在含乙醇狀態(tài)下，隨著熱載荷的增大，鈦合金和氧化鋯毛細芯的有效導熱系數(shù)的變化規(guī)律與含水時類似，但氮化硅毛細芯的有效導熱系數(shù)并沒有出現(xiàn)過大的變化。