三種不同毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

陳 曦，林 毅，孫 琦，謝榮建

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093;2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)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(chǔ)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(yuǎn)，能夠在失重條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，環(huán)路熱管在空間熱控制系統(tǒng)[5]，電子設(shè)備散熱[6]等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在環(huán)路熱管中，毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)著工質(zhì)不斷循環(huán)流動(dòng)，使得工質(zhì)在蒸發(fā)段及冷凝段產(chǎn)生相變換熱，形成了整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)循環(huán)和熱量輸送過(guò)程，所以毛細(xì)芯對(duì)環(huán)路熱管的啟動(dòng)和傳熱性能起到?jīng)Q定性作用[7]。毛細(xì)芯的傳熱機(jī)理較為復(fù)雜，而利用有效導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)表征毛細(xì)芯的傳熱性能是最為有效的方法[8]。近年來(lái)眾多學(xué)者對(duì)毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)展開(kāi)了研究。

Mo等[9]用熱常數(shù)分析儀測(cè)量填充有水、乙二醇和甘油的多孔燒結(jié)鎳材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，多孔介質(zhì)的熱導(dǎo)率與流體的熱導(dǎo)率，充液率和材料的孔隙率有關(guān)。El-Nasr等[10]研究了毛細(xì)芯層的數(shù)量對(duì)環(huán)路熱管的有效導(dǎo)熱率和熱傳遞特性的影響，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的流動(dòng)特性取決于毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)和芯層的數(shù)量，而熱管的傳熱特性和有效熱導(dǎo)率直接與工質(zhì)的流動(dòng)特性相關(guān)。Xin等[11]通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱法對(duì)燒結(jié)毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，燒結(jié)鎳銅毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)顯然小于單一組元的毛細(xì)芯，且當(dāng)孔隙率增大時(shí)，其值減小，含水毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)相比干態(tài)毛細(xì)芯的導(dǎo)熱系數(shù)大，實(shí)驗(yàn)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(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)毛細(xì)芯抽吸性能的影響。研究顯示，應(yīng)用新型工質(zhì)可以改善環(huán)路熱管的傳熱性能。

毛細(xì)芯的材料結(jié)構(gòu)及其性能對(duì)環(huán)路熱管的整體傳熱效率有著至關(guān)重要的影響[14]，從現(xiàn)有的相關(guān)研究來(lái)看，學(xué)者們大多針對(duì)某一具體的毛細(xì)芯進(jìn)行研究，對(duì)于不同材料和結(jié)構(gòu)的毛細(xì)芯研究很少。為了探討不同材料的毛細(xì)芯對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)氮化硅、氧化鋯、3D打印的鈦合金毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)采用乙醇和水為工質(zhì)，測(cè)試干態(tài)、含水和含乙醇狀態(tài)下三種毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)。這為研究毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響及研制高效毛細(xì)芯提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三部分，即測(cè)量毛細(xì)芯工作時(shí)表面溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試容器、輔助設(shè)備和一些測(cè)量設(shè)備。輔助設(shè)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(jī)、液氮罐、保溫箱。測(cè)量設(shè)備包括壓力傳感器、鉑電阻、加熱片、滴定管。圖1是為本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)試容器。

通過(guò)懸掛法將毛細(xì)芯頂部豎直固定在測(cè)試容器上部，浸沒(méi)在液體工質(zhì)中的深度為5 mm。金屬陶瓷加熱片貼在毛細(xì)芯頂端表面，7個(gè)鉑電阻（Pt1000）以30°，等距10 mm的方式沿軸向環(huán)繞貼在毛細(xì)芯表面進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。

采用穩(wěn)態(tài)法對(duì)毛細(xì)芯的表面溫度進(jìn)行測(cè)量。為測(cè)得毛細(xì)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(cè)點(diǎn)，加熱條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)如式（1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試容器示意圖Fig.1 The schematic of experimental test container

圖2 毛細(xì)芯測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.2 The distribution diagram of measuring points of capillary wick

式中：Ax為毛細(xì)芯的橫截面積，cm2；leff為毛細(xì)芯的有效高度，cm；T1為測(cè)點(diǎn)1的溫度，℃；T7為測(cè)點(diǎn)7的溫度，℃；qin為毛細(xì)芯的真實(shí)加熱功率，W。qin的計(jì)算表達(dá)式如式（2）～（3）：

式中：qin,loss為熱損失，W；qcond為導(dǎo)熱引起的加熱損失，W；qconv為自然對(duì)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(guò)直流穩(wěn)壓電源的電壓和電流計(jì)算得到。更詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理及誤差分析見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了三種不同材料的毛細(xì)芯的表面溫度值，分別是3D打印的鈦合金毛細(xì)芯，燒結(jié)的氧化鋯毛細(xì)芯以及氮化硅毛細(xì)芯，如圖3所示。從高倍光學(xué)顯微鏡下的毛細(xì)芯橫截面圖可以看出，3D打印的鈦合金毛細(xì)芯材料為T(mén)i64ELI粉末，逐層打印，結(jié)構(gòu)規(guī)則。相比粉末或金屬燒結(jié)的毛細(xì)芯，其優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)部孔隙分布可控且均勻。這三種毛細(xì)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(xué)顯微鏡下的毛細(xì)芯橫截面圖Fig.3 The cross-section diagram of capillary wick under optical microscope

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 三種干態(tài)毛細(xì)芯的有效導(dǎo)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(xì)芯干芯上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值，用曲線(xiàn)進(jìn)行擬合繪制成圖?？梢钥闯?，鈦合金毛細(xì)芯上的測(cè)點(diǎn)溫度近似線(xiàn)性分布，而氧化鋯、氮化硅毛細(xì)芯上的測(cè)點(diǎn)近似指數(shù)分布，這也可以說(shuō)明3D打印的鈦合金毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)規(guī)則，可以視為各向同性，而燒結(jié)的金屬芯無(wú)法保證其內(nèi)部孔隙均勻一致，視為各向異性。

圖4 三種毛細(xì)芯各測(cè)點(diǎn)溫度的變化曲線(xiàn)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(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)繪制成圖5，圖中毛細(xì)芯的平均溫度Tm為7個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度的平均值?？梢钥闯觯S著加熱功率的增大，毛細(xì)芯的平均溫度不斷升高，從而導(dǎo)致三種毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，這符合金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。其中，氮化硅毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)大于鈦合金毛細(xì)芯的，氧化鋯毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)最小。

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

2.2 三種含水毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)

圖6為不同溫度下含水的三種毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)。p為罐內(nèi)絕對(duì)壓力，H為毛細(xì)芯浸泡深度，Tf為罐內(nèi)液體溫度?？梢钥闯?，氮化硅和氧化鋯毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都在20～30℃之間達(dá)到一個(gè)峰值，而鈦合金毛細(xì)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(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)先急劇下降，后緩慢下降。氧化鋯和鈦合金毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的下降相對(duì)緩慢。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]報(bào)導(dǎo)，高熱導(dǎo)率的毛細(xì)芯會(huì)加大蒸發(fā)器的徑向漏熱，導(dǎo)致毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)降低。由前面的實(shí)驗(yàn)可知，在三種毛細(xì)芯中，氮化硅的熱導(dǎo)率是最高的。同時(shí)氮化硅的熱擴(kuò)散系數(shù)較高，熱量會(huì)迅速擴(kuò)散到毛細(xì)芯的內(nèi)部，造成蒸發(fā)器核心內(nèi)的工質(zhì)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(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)急劇下降的重要原因。從文獻(xiàn)[15]可知，常溫下，水對(duì)鈦合金的浸潤(rùn)性不好，因此在溫度較低的情況下，該芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)較低，隨著溫度的上升，水對(duì)鈦合金的浸潤(rùn)性變好，有效導(dǎo)熱系數(shù)隨之上升。同時(shí)由于鈦合金毛細(xì)芯的孔隙均勻且孔徑相對(duì)較大，減小了工質(zhì)的流動(dòng)阻力并為工質(zhì)的蒸發(fā)及蒸氣的及時(shí)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(xì)芯的峰值溫度高于另外兩種毛細(xì)芯。而后，隨著溫度的繼續(xù)上升，工質(zhì)被逐漸蒸干，三種毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都逐漸減小。

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

2.3 三種含乙醇毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)

圖7為不同溫度下含乙醇的三種毛細(xì)芯的有效導(dǎo)系數(shù)。由圖7可知，含乙醇的鈦合金和氧化鋯毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律相似，都是在20～30℃間達(dá)到一個(gè)峰值。由于乙醇的沸點(diǎn)在此絕對(duì)壓力下為35.14℃，因此隨著溫度的繼續(xù)上升，工質(zhì)迅速蒸發(fā)，熱管內(nèi)的液體被逐漸蒸干，所以?xún)煞N毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都迅速下降。

圖7 三種含乙醇毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)曲線(xiàn)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(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化沒(méi)有出現(xiàn)大的變化。這是因?yàn)橐掖嫉姆悬c(diǎn)在該絕對(duì)壓力下過(guò)低，同時(shí)氮化硅的熱擴(kuò)散系數(shù)較高，造成蒸發(fā)器核心內(nèi)的工質(zhì)容易被加熱氣化，氮化硅毛細(xì)芯內(nèi)的工質(zhì)極易被燒干，幾乎沒(méi)有液體工質(zhì)參與傳熱，此時(shí)毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)幾乎等于干態(tài)時(shí)的有效導(dǎo)熱系數(shù)。所以氮化硅毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大變化，只是隨溫度的上升略有增大，這符合金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

本文以環(huán)路熱管的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件——毛細(xì)芯作為研究對(duì)象，主要開(kāi)展對(duì)毛細(xì)芯有效導(dǎo)熱系數(shù)的研究，獲得以下研究結(jié)論：

（1）在干芯狀態(tài)下，鈦合金毛細(xì)芯上的測(cè)點(diǎn)溫度線(xiàn)性分布，而氧化鋯、氮化硅毛細(xì)芯上的測(cè)點(diǎn)溫度近似指數(shù)分布。原因是鈦合金毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)規(guī)則，可以看成各向同性，而燒結(jié)的金屬芯無(wú)法保證其內(nèi)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(xì)芯的表面溫度不斷升高，三種毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都隨之增大。其中，氮化硅毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)要大于鈦合金毛細(xì)芯，氧化鋯毛細(xì)芯的有效導(dǎo)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(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最后趨向于自身的熱導(dǎo)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(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律與含水時(shí)類(lèi)似，但氮化硅毛細(xì)芯的有效導(dǎo)熱系數(shù)并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的變化。