环路热管结构设计及性能分析

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摘要：环路热管（Loop Heat Pipe， LHP）是一种两相分离的高效传热装置。环路热管是20世纪70年代苏联发明的传热装置，并且得到了快速发展和应用，已成功应用于电子器件冷却、航天器和潜艇等热控系统。由于环形热管的设计比传统热管要复杂，可以适应不同的工况。本文对循环热管的结构和性能进行分析和探讨。对相关结构进行简单的设计，然后对相关极限进行了理论描述、计算，并进行了工质性能预测。

关键词：环路热管;结构设计;性能分析;热阻计算

随着现代科技的迅速发展，电子器件的集成度和热功率越来越大，尤其对于高性能电子设备，如笔记本电脑、手机等，密闭有限空间如航天器、卫星、潜艇等，散热已经成为限制其发展和性能优化的一个瓶颈问题。目前，利用蒸发和冷凝现象的两相换热设备是换热器领域最具发展潜力的方向。此类两相换热器几乎都是热管的原理，并进行一系列的优化和改进，从而适应各个不同的领域。该设备由蒸发器、蒸气/液体管路、冷凝器和储液器等部件组成，由于拥有良好的反重力和抗旋转能力，再加上装配灵活、可长距离输送、低热阻等特性，已成功应用于电子器件冷却、航天器和潜艇等热控系统。本文大致理解环路热管的结构组成、工作机理，熟悉环路热管性能与结构之间的理论关系，选择工质及系统材料（主要是毛细吸液管芯和金属材料），分析计算环路热管的各类极限并对环路热管相关部件进行校核，分析环路热管的热性能。

1 环路热管组成和工作原理

环路热管（LHP）通常由五个主要部件组成：蒸发器、冷凝器、补偿室、蒸汽管、液体管。蒸发器是结合毛细吸液管芯和蒸汽通道的最重要部件。LHP与传统热管的一个重要区别是，环路热管（Loop Heat Pipe， LHP）只在蒸发器的内部放置毛细吸液管芯，而我所了解的普通热管在整个管道中都有毛细吸液管芯。如图1所示。根据蒸发器的结构，液压泵可分为圆柱形和扁平两种。平板的LHP很容易与热源结合，以降低热接触电阻。圆柱形的可以在不同面进行换热，尤其是在反重力的环境中。环路热管的主要工作原理：当蒸发器从热源加热时，内部工作介质蒸发，产生的蒸汽沿着蒸汽流动路径排出，并通过蒸汽管道进入冷凝器。物料通过流体管路返回补偿室，补偿室中的液体工作介质经过毛细吸液管芯的毛细吸液管吸入，从而进入蒸发器内部进行两次蒸发，这个循环的过程就是一个换热循环。可以看出区别在于操作模式的配置。独特的气液两相流LHP大大减少了传统热管的传热问题，但对毛细吸液管芯提出了更高的要求。

2 环路热管的工作极限

受其工作原理或施工设备的影响，热管回路在运行过程中会出现速度限制、沸腾限制、黏度限制和传动限制。①声速极限：随着热负荷的增加，系统中产生的蒸汽量增加。最大蒸汽流量出现在蒸发器的出口。当蒸汽流速超过局部声速时，回路热管的传热效率达到极限。随着负载的增加，由于蒸发器温度过高，回路的热管会崩溃;②沸点：热负荷高时由于蒸发器壳的热导率和毛细吸液管芯的反向漏电，毛细吸液管芯的内部工作流体也会蒸发，生成的泡沫防止毛细吸液管冷凝回流，降低吸水能力的核心;③黏度极限：当蒸发器的输入功率或温度较低时，正工作液的驱动力小于工作液的黏性阻力，回路热管不能正常工作。黏度极限在非常低的热管温度下很常见;④转移极限：在非常高的输入功率条件下，此时过量的蒸汽有能力将液体工质从毛细吸液管芯表面转移到蒸汽通道。

普通热管及环路热管一样，反重力环路热管依靠毛细吸液管芯中的毛细力驱动其运行，在稳态工作时其内部各压力必须满足以下条件：

（1）

其中：         ——是蒸发段中毛细吸液管芯产生的最大毛细力压力差;

——是整个回路中的蒸汽压力降;

——是整个环路中的液态工质压力降;

——是工质在蒸发段蒸发时在液面产生的相变压差;

——是工质在冷凝段冷凝时在冷凝液面产生的相变压差;

——为整个环路中重力对工质产生的重力压差。

由于本文的反重力环路热管（Loop Heat Pipe，LHP）工质量充足，冷凝段最后的液面完全没过毛细吸液管芯，所以最大毛细力压力差是由蒸发段毛细吸液管芯毛细孔径大小与工质的性质决定，这些参数可以用杨氏-拉普拉斯（Young-Laplace）的数学方程得到：

（2）

其中：     ——是液态工质的表面张力;

re ——蒸发段毛细吸液管芯的有效毛细半径;

θ——是液态工质与毛细吸液管芯材料的接触角。

3 热管结构设计

3.1 蒸发段设计

本文讨论的热管是反重力，且可以用于电子设备芯片的冷却，因此蒸发段采用圆柱形式。

3.2 冷凝段的设计

环路热管（Loop Heat Pipe，LHP）冷凝器的作用是将工作物质，从热源吸收的热量，迅速准确有效地传递到环路热管（Loop Heat Pipe，LHP）系统外的环境中。在情况正常下，冷凝段应该实用的是光管和质量比较轻的管路，冷凝段也应该有毛细吸液芯。在这篇文章中，设计背景为反重力，即蒸发部分高于冷凝部分和工作流体的流动阻力应尽可能低，所以凝结的是单一不太复杂，因此它应该是直轻管最为合适。为了满足整个系统的传热换热要求，便于冷凝量大小的测量，本文选择用水冷式，当作冷凝方式，凝汽器管为壳体式，有效换热长度为75mm。

3.3 环路热管工质与管壳的选择

因为本文中的环路热管（Loop Heat Pipe， LHP）用于除去热量的电子芯片，其正常工作温度不超过，从经 济性、安全性、热性能以及工作环境对环境影响的保护等方面来看，本文实验系统选用铜作为材料，水做工质。如图2所示。根据传热理论，毛细吸液管芯的导热系数应尽可能低，毛细吸液管芯内的工作介质发生相变，所以毛细吸液管芯的材料是金属的低导热系数铜粉烧结处理完成。这里毛细吸液管芯的孔隙度的影响和系统上的孔径是一个重要的因素，在本文中，毛细吸液管芯的规格，外直径12毫米，内径9毫米，长度20毫米，孔隙大小120微米60微米，15微米，5微米4类型。LHP各部件的尺寸參数设置如表1。

4 热阻计算

本文中主要设计校核的部分为环路热管的总热阻，本文第二章详细描述了设计的热阻模型及其计算公式，第三章前半部分列出了部分部件的数据，综合全文相关书籍，热阻计算如下：

4.1 冷凝段的热阻计算

由公式（ 3 ）                                          和设计参数计算热阻

（ 4 ）

其中：    ——管内工质的表面换热系数;

——管内面积。

计算得：

（ 5 ）

其中：    ——冷凝段内径;

——冷凝段外径;

——冷凝段工质的导热率;

——冷凝段长度。

计算得：

（ 6 ）

其中：    ——管外空气的表面换热系数;

——管外面积。

计算得：

4.2 蒸发段的热阻计算

由公式（ 7 ）                                和设计参数计算热阻，如下：

（ 8 ）

其中：     ——蒸发段内径;

——蒸发段外径;

——蒸发段工质的导热率;

——蒸发段长度。

计算得：

（ 9 ）

其中：   ——管内空气的导热率;

——管内面积。

计算得：

（ 10 ）

其中：   ——气化潜热;

——蒸汽压力;

——气体常数;

——蒸气温度;

——蒸发器长度;

——蒸发器直径。

计算得：

4.3热管总热阻计算

本文第二张描述了热管总热阻的计算方法和公式，第三章设计了相关参数，根据公式计算得：

经阅读文献数据了解，该总热阻符合要求。

4.4 毛细吸液芯极限的计算

4.4.1 最大毛细压力差的计算

由表1数据，及公式（ 2 ）可计算出：

4.4.2 系统中的质量流量计算

在本文中，系统中的质量流量计算将使用公式（ 9 ）计算得到：                                                                （ 11 ）

其中：W ——蒸发器的功率;

h水——水的氣化潜热。

计算得：

4.4.3 回路的蒸汽压力降计算

由以下公式得到：                                            （ 12 ）

对于本文设计的毛细吸液芯结构，内外径间的压降计算式为：                                                            （ 13 ）

其中：        ——水的动力黏度;

——毛细吸液芯长度;

——毛细吸液芯的渗透率;

——毛细吸液芯外径;

——毛细吸液芯内径。

计算得到：

对于本文设计的蒸发器结构，槽道中的压降计算式为：

（ 14 ）

其中：  ——水蒸气的黏性系数;

——水蒸汽的有效流动长度;

——蒸发器蒸汽槽道的半径。

计算得到：

最终得到回路的蒸汽压力降为：

4.4.4 回路中工质压降的计算

在本文设计的整个环路热管当中，工质为水，在计算回路中的压力降的时候，均可以采用公式计算得到：

（ 15 ）

其中：f——管路中的摩擦系数;

l——管路长度;

d——管路直径;

v——流速。

综上可计算出                       ：

4.4.5 反重力压差计算

本文设计为反重力装置，所以在极限计算时需要计算反重力的压差计算，计算如下：

（ 16 ）

4.4.6 毛细吸液芯极限的比较

由公式及计算得出数据得到：

与计算得出的本设计最大毛细力压力差比较得到：

满足条件。

5 环路热管的相关数据分析

根据前面章节计算我们得出本设计热管总热阻为：

由公式

变化得到：

（ 17 ）

其中：     ——蒸发器平均温度;

——冷凝器平均温度;

——蒸发器输入功率。

根据了解相关文献，本设计蒸发器输入功率范围为50～300W，冷凝器温度为5℃，蒸发器温度范围为20～80℃，蒸发器输入功率和冷凝器温度及其热阻，通过公式分别计算出蒸发器温度见表2，绘出不同加热功率下的环路热管蒸发器温度变化情况见图5。

6 结语

本文设计了毛细吸液芯及其关键部件，确定了以水为循环工质，铜为主要构建的环路热管。研究了环路热管在最大反重力高度下的極限传热能力，主要计算了在反重力情况下的热管热阻以及计算毛细极限，分析不同加热功率下的环路热管蒸发器温度变化情况。本文所设计的简单环路热管，可以应用于封闭空间的电子设备换热，以及航天器上大功率电器的换热使用。

参考文献：

[1]杨卧龙.环路热管多尺度毛细结构制备及性能研究[D].华北电力大学（北京），2017.

[2]吴伟.纳米流体对热管导热性能影响的研究[D].天津科技大学，2015.

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[5]洪思慧，唐永乐，张新强，汪双凤，张正国.不同蒸发器结构的超薄平板环路热管的传热性能的差异化[J].科学通报，2017.

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