变孔隙毛细芯平板热管性能

Alexandria2020

变孔隙毛细芯平板热管性能

陆宁香1,2，李金旺1，杨茂飞1

1南京航空航天大学航天学院，江苏 南京 211106；2南京国睿防务系统有限公司，江苏 南京 210039

● 引用本文：陆宁香, 李金旺, 杨茂飞. 变孔隙毛细芯平板热管性能[J]. 化工进展, 2022, 41(12): 6235-6244.

● DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0444

文章摘要

毛细芯是热管的核心部件，单一均匀孔隙毛细芯往往难以同时兼顾高性能热管对于毛细抽吸力和渗透率两方面的需求，变孔隙毛细芯则可以根据需要分别设置变化的内部孔隙分布，同时满足所需要的毛细抽吸力和渗透率。本文以纤维毡为主要材料制备不同孔隙分布的变孔隙毛细芯，搭建变孔隙毛细芯平板热管实验台，通过实验研究毛细芯的孔隙分布等参数对平板热管的启动性能和传热性能的影响，研究结果表明：含有变孔隙复合毛细芯的平板热管比含均匀孔隙毛细芯的平板热管性能更好，启动所需的时间更短，热管的传热性能也更好。其他条件相同，倾斜角度为45°时，回流方向孔径递减毛细芯平板热管能承受的加热功率比均匀毛细芯平板热管高约2W，比重力热管高3～4W。

热管是一种充分利用工质相变性质及传热传质原理的高效传热元件。依靠工质在蒸发段蒸发、在冷凝段液化可以实现热量从蒸发段向冷凝段的转移。平板热管是热管的一种类型，其形状非常有利于对集中热源进行热扩散，往往被利用在电子设备散热和降低热通量上。凭借其高效的相变换热能力，近年来，平板热管逐渐在航空航天热控、高功率电子器件冷却、太阳能利用、动力电池以及医疗设备等领域广泛应用，前景非常广阔，备受学者的关注。

毛细芯作为热管的重要部件，提供循环的驱动力。毛细芯的两大主要性能指标是毛细抽吸力和渗透率，但这两者是此消彼长的，抽吸力越强，渗透率就越低。这两个主要因素的相互制约也导致了单一均匀孔隙毛细芯往往无法满足热管在高性能应用情况下对于蒸汽溢出以及液体工质吸入的需求，对于热管的循环效率性能提升也比较有限，复合毛细芯应运而生。

目前对于复合毛细芯国内外已有不少研究。Hwang等在普通烧结毛细芯上加工一些沟槽，并对其进行分析和研究，发现这种多孔沟槽毛细芯能够增加工质蒸发的表面积和工质回流的通道，优化了其传热性能。李勇等设计制备了一种新型毛细芯——纤维复合微沟槽毛细芯，通过与铜粉复合沟槽毛细芯的性能对比发现纤维复合微沟槽毛细芯具备更小的流动阻力及热阻。Liu等、Wu等、柳洋等针对毛细芯孔径大小问题陆续提出了复合毛细芯的概念并进行了一系列研究。徐计元等实验并对比了双层复合毛细芯的抽吸特性，发现复合毛细芯的抽吸能力主要取决于液体侧毛细芯的孔隙特点，并提出了通过改变毛细芯各部分的孔隙大小来改善毛细芯抽吸性能的具体方案。针对毛细芯对于热管性能的影响，目前也有一系列的研究，但大多是针对均匀孔隙毛细芯的。胡卓焕等研究了金属3D打印复合毛细芯热管的传热性能，发现蒸发器内毛细芯蒸发层与吸液层的孔径配比对于环路热管的传热性能有重要影响，蒸发层孔径应小于吸液层孔径。Li等、聂聪等、黄豆等对毛细芯的毛细抽吸性能进行了实验研究并总结了相关的影响因素，毛细抽吸性能由毛细压力和渗透率共同作用，影响了毛细芯内部的工质循环，复合毛细芯的毛细抽吸性能为本文的毛细结构孔隙分布设计提供了思路。

复合毛细芯是毛细芯发展的趋势，目前已有的复合毛细芯大多不具备孔隙变化，变孔隙毛细芯及含变孔隙毛细芯的热管的性能还有待进一步研究。本文以纤维毡为材料，制备不同孔隙的毛细芯，并对含不同孔隙结构毛细芯的平板热管的启动、传热性能进行实验对比，总结出性能最好的平板热管毛细芯结构分布形式。

1

平板热管的设计

平板热管管壳结构的选择主要需要考虑管壳材料本身的导热性能及与热管工质的相容性等因素，本研究分别选用紫铜和硅橡胶作为管壳材料，其中硅橡胶满足热管所需的强度及导热性能的同时也能实现热管内部循环的可视化，方便进行实验研究。热管的结构如图1所示，分别展示了平板热管的水平剖面示意图和竖直剖面示意图，热管尺寸为120mm×40mm×6mm，其中冷凝腔和蒸发腔的尺寸为20mm×20mm×4mm，毛细芯的厚度为2mm。分别研究了无毛细芯、有均匀孔隙毛细芯以及变孔隙毛细芯的平板热管的传热性能，进行对比总结。平板热管的实物如图2所示。平板热管各部件之间的连接使用的是硅胶黏结剂，防水耐高温，耐温区间为-40～280℃，满足平板热管的使用温度范围。

图1  平板热管的结构

图2  平板热管实物

本实验选择纤维毡作为毛细芯材料，该材料具有较大的毛细抽吸力的同时渗透率也较高、流动阻力较小，便于布置毛细芯内部的孔隙变化，在热管中安装也较为方便。试样通过按照尺寸比例裁剪纤维毡后由压力机压制而成。保持纤维毡的总体孔隙率一致（在65%～68%之间），通过控制每小段纤维毡的分布来控制各段之间的尺寸、孔径差异，从而形成对比。纤维毡加工后层与层之间没有明显的界面，可以很好地融合。分别对压缩后的试样进行毛细抽吸实验并与理论值进行对比后确认：这种材料在压缩过程中形成的连接面不会影响毛细芯的抽吸过程，抽吸曲线很顺滑，在交界处不会出现抽吸质量或抽吸速度的突增或突降，抽吸的总质量也不会受到加工过程的影响，与理论的抽吸总质量之间的偏差在8%以内。设置了4组具备不同毛细结构的平板热管进行实验对比，其中1号平板热管为不含毛细芯的重力热管，其余2号、3号、4号平板热管的内部毛细芯孔隙分布及参数见表1，孔隙结构分布如图3所示。本实验选用去离子水作为工质，充液率为平板热管内部空腔总体积的50%。

表1  毛细芯参数对照

图3  2号、3号、4号热管毛细芯孔隙结构分布

2

实验系统与参数

用于平板热管的性能测试实验系统原理和实物分别如图4、图5所示。整个系统主要包括加热系统、冷却系统、温度测量系统、数据采集系统以及倾斜装置等。为了减少实验过程中热量的损失，保证所有的热量都通过热管传输，选择在热管外侧包裹保温棉来进行隔热。

图4  平板热管的性能测试系统原理

图5  平板热管的性能测试系统实物

实验使用的加热方式为正温度系数（PTC）加热片，使用聚硅氧烷导热胶将加热片粘贴在平板热管蒸发端，可以有效减小二者之间的导热热阻，增加实验的可靠性。实验需要研究热管的传热能力及其影响因素，需要对运行时加热功率进行调控，加热片与直流稳压电源（UTP1305）连接，通过调节电源的电压来调节加热片的输入功率，使用曲线功率计（FZT8）实时监测加热过程中的功率变化。

使用空气自然冷却和水冷两种方式对热管进行散热。其中水冷方式采用微型直流隔膜泵（DPS-60W）与水冷板相结合，通过调节水泵的输入电压可以调节冷却系统的循环水量从而调节冷凝段的功率，最大流量可达5L/min，同样通过聚硅氧烷导热胶固定在热管冷凝段，减少二者之间的热阻。

数据采集系统主要包括温度测量及数据采集。本实验中采用直径为0.25mm的K型热电偶（TT-K-30），通过高温胶带粘在平板热管各区域对其进行温度测量，其测温精度为±0.1℃。在使用热电偶之前，需对其进行温度标定，选用误差较小的热电偶，具体热电偶布置如图6所示。以靠近蒸发段的平板热管边缘为原点进行设计（下文的平板热管温度-距离分布都以此为依据），热管的10～30mm为蒸发段，30～90mm为绝热段，90～110mm为冷凝段，测温点分别布置在15mm、30mm、50mm、70mm、90mm、105mm处。实验采用多通道温度采集器（DM6210）进行数据采集并连接到计算机实时传输并记录各测点的温度数据。

图6  热电偶测点分布

3

变孔隙毛细芯平板热管性能分析

对平板热管传热性能产生干扰的因素主要包括工质种类、充液率、腔体结构、毛细芯结构、倾斜角度等。本文主要针对变孔隙复合毛细芯平板热管进行性能分析，着重研究毛细芯的孔隙分布等对于平板热管的性能的影响。实验设置了4组平板热管对照组，1号为无毛细芯的重力平板热管，2号为有均匀孔隙毛细芯的平板热管，3号为有变孔隙毛细芯（从冷凝段到蒸发段孔径变大）的平板热管，4号为有变孔隙毛细芯（从冷凝段到蒸发段孔径变小）的平板热管。在实验的过程中，加热功率从0W开始逐步上调，在功率较小时，热管各点温度上升较慢且难以达到平衡，在加热功率达到3.4W时，各热管可以在较短时间内启动，因此将起始功率设置为3.4W，此后依次1W递增。

3.1

平板热管的启动及运行

图7为2号平板热管的各测点在不同功率下的温度随时间变化关系，各测点的分布详见3.1节，热管放置角度为45°，冷却方式为空气自然冷却。热管受热后各点温度达到稳定，则可认为热管启动工作，热管达到平衡的时间也以相同功率下各点温度达到稳定的时间作为评价标准。

图7  2号平板热管各测点在不同功率下的温度-时间图

在环境温度下受热后，平板热管的温度会迅速升高，直到各测点温度趋于稳定并保持在一个水平上，完成热管启动。热管冷凝端与加热端的启动过程相似，但是由于热量需要经过热管壁面的热传导、内部工质汽化、蒸汽在蒸汽空间内的流动等才会传输到冷凝段，所以温度达到平衡的时间会稍晚于热管蒸发段温度达到平衡的时间。随着加热功率的提升，各测点温度整体呈现阶梯状的变化，直至各点的温度出现较为剧烈的波动，此时毛细抽吸速率无法与蒸发速率相平衡，热管达到传热极限，停止实验。实验中传热极限的标准是热管能维持蒸发-冷却循环所能承受的最大传热量，当各点的温度出现较为剧烈的波动，液体工质的回流量不足以满足蒸发段较高的蒸发量，热管到达其传热极限。

图8是2号平板热管在变功率下稳定后的冷、热端温差实际值与线性拟合值关系图。通过实际温差曲线与线性拟合曲线的对比可以发现：当加热功率较小时，可以近似认为加热功率与冷热端温差成正比；当加热功率逐渐升高后，温差升高趋势逐渐增大，逐步偏离拟合曲线范围，判断此时热管开始出现恶化，逐渐达到其传热极限，内部循环难以保持平衡。

图8  2号平板热管在变功率下稳定后的冷、热端温差

3.2

变孔隙毛细芯平板热管启动性能

图9为不同孔隙结构毛细芯的平板热管启动过程中各测点温度-时间变化图，用于研究不同的毛细芯内部孔隙分布对于平板热管的启动性能的影响。

图9  不同毛细结构平板热管的启动性能对比

启动时4组平板热管的加热功率均为3.4W，从启动的温度曲线中可以看出：毛细芯从冷凝端到蒸发端孔径变小的4号平板热管在启动时达到平衡的时间最短，启动速度最快，在700s左右各测点的温度就基本保持平衡，而其他3组热管基本要到1000s之后才能达到平衡，完成启动。在相同的启动功率下，完成启动时4号平板热管的各点温度也最低。

3.3

变孔隙毛细芯平板热管传热性能

为了研究毛细结构对于平板热管传热性能的影响，在其他条件相同的基础上，调节热管的加热功率，取各测点平衡时的温度绘制了不同平板热管在变功率情况下的各测点温度轴向分布图（图10）。倾角均为45°，冷凝方式均采用空气自然冷却，方便进行对比。

图10  不同毛细芯的平板热管在变功率情况下的各测点温度轴向分布

可以发现：不同结构的毛细芯在不同功率下的轴向温度分布规律基本一致，以蒸发侧为原点，随着轴向距离的变大，从蒸发段到冷凝段温度逐渐降低，测点1、测点2在蒸发段，温度比较相近，同理测点7、测点8，其他4个测点分布在绝热段的两个位置，温度介于冷、热端之间。随着加热功率的增加，冷、热端温差逐渐增大，平板热管均温性变差，逐渐到达其传热极限。达到平衡时，不同孔隙结构毛细芯平板热管在不同功率下的冷、热端温差如图11所示。

图11  不同毛细芯的平板热管在不同加热功率下的冷、热端温差

对比不同毛细结构的平板热管在相同工况下的温度分布图及冷、热端温差图可以发现：不论毛细芯具备什么样的孔隙分布，含毛细芯的平板热管（2号、3号、4号）相对于不含毛细芯的平板热管（1号）均表现出更好的温度特性，这种温度特性具体表现为：①更好的均温性能，即在相同加热功率的情况下，达到平衡时，含毛细芯的热管蒸发段温度更低，冷凝段温度更高，冷、热端温差更小，整根热管的温度分布更均匀；②更高的传热极限，即平板热管的传热极限与毛细芯的抽吸性能及热管均温性息息相关，重力热管中，仅靠重力的作用使得冷凝段液体回流，含毛细芯的热管液体回流依靠毛细力和重力相辅相成，工质循环更好，相同功率下热管升温较少，从而整个热管可以承受的最高加热功率也更大。

此外，针对于具备毛细结构的平板热管（2号、3号、4号），毛细芯中不同的孔隙分布对于热管性能的影响也有所不同。这其中，含有变结构毛细芯的热管（3号、4号）又相比于含均匀孔隙毛细芯的2号热管有更好的表现。而具备变孔隙结构的复合毛细芯之中，从冷凝端到蒸发端沿工质流动方向孔径变小的毛细芯所制备的4号平板热管性能又更为突出。即均温性能和传热极限呈现出：含孔径变小毛细芯的平板热管（4号）＞含孔径变大毛细芯的平板热管（3号）＞含均匀孔隙毛细芯的平板热管（2号）＞不含毛细芯的重力热管（1号）。4号毛细芯孔径由冷凝段至蒸发段孔径变小的平板热管，毛细芯中的大孔径提供了较小的流动阻力，在回流的初期可以有效提高回流速度，小孔径增大了毛细芯中的毛细压力，提供了工质回流的驱动力，孔径由大到小的变化提高了工质循环的效率，从而使得平板热管的传热性能也得到了提升。

3.4

不同倾角下的传热性能对比

除了毛细芯的结构，热管倾斜角度也是影响平板热管传热性能的重要因素之一。当工作倾角与工质回流方向一致时，重力会有助于冷凝液体的回流，当工作倾角与液体回流方向相反时，重力的影响则会抑制冷凝液体的回流。本文对4号平板热管分别设置了0°、30°、45°、90°四种不同的倾斜角度，即除了水平放置以外，其余3个角度都是蒸发器在冷凝器的下方，重力辅助工质回流，来对比不同倾斜角度对于热管性能的影响，冷却方式均选用空气自然冷却。图12为4号平板热管在不同倾斜角度下的温度轴向分布。

图12  4号平板热管在不同倾斜角度下的温度轴向分布

不同倾角下，各测点的温度分布规律大致相同，随着功率的增大，整体温度呈升高趋势，轴向温差也逐渐变大。以倾角0°时为例，功率为3.4W时，轴向冷、热温差为15℃左右，但当功率提高至10.4W时，温差增大到约45℃。在毛细结构保持不变的情况下，随着倾斜角度的变化，最大传热量和相同功率下的各测点温度及冷热端温差都会发生一定的变化。在启动时，加热功率为3.4W，0°、30°、90°倾角的情况下，蒸发段的温度都达到40℃左右，而在45°，蒸发段温度仅约为35℃，冷凝段温度也相应低于其他几种情况。整体而言，45°时平板热管传热的性能会更好，能承受的加热功率也会稍大于其他几个角度。

为了对倾角之间的传热性能进行更清晰的对比，绘制了4号平板热管在不同倾斜角度下的冷、热端温差随功率变化关系图（图13）。可以发现，与前面的观察结果相似，随着功率的不断变化，45°倾角下的冷热端温差始终是在4组角度中最小的，整体的均温性能更好。而且当输入功率较大时，倾角对热管传热性能的优势表现得更明显，功率较低时，不同倾角下的冷热端温差之间的差距只在1～2℃，随着功率的升高，逐渐扩大到6～7℃，此时45°倾角的优势也更加明显。

图13  不同倾斜角度下不同功率时4号平板热管冷、热端温差

不同功率下，热管达到平衡时，计算该平板热管在不同倾斜角度下的热阻。如图14所示，45°时，平板热管的热阻小于其他几个角度下的热阻。不论在哪种角度下，热管的热阻值随着功率的增大都呈现一个先增大后降低的趋势。主要是因为：当加热功率较小时，热管的传热主要依靠自身导热，循环工质较少，热阻比较大。当功率增加时，热管正常启动，热管的传热主要依靠管内工质的气液相变，热阻就会逐渐降低。这个阶段热管中的蒸汽和液体的相互作用会带来热阻的波动，在倾角为0°时，波动比较明显。最后随着功率的进一步增大，平板热管到达传热极限，液体的回流与蒸发无法保持平衡，热阻再次上升。

图14  不同倾角和变功率下的4号平板热管热阻

当热管的倾角从0°变化到90°时，热管的最大传热量先增大后减小，热阻先减小后增大，均温性能也是先变好后变差，此毛细芯孔径变小的平板热管的最好工作角度约为45°。这是由于：随着平板热管倾角增大，重力的作用会有利于工质的回流，促进液膜的形成，减小热管的热阻，但是随着倾角进一步增大，液膜会出现不稳定的现象而导致局部过热，因而传热性能随着倾角的增大会呈现出先增强后减小的趋势。文献[22]报道的柔性热管在加热功率为1～12.7W之间时的总热阻均在5.5℃/W以上，本研究制备的柔性热管与之相比热阻更小一些，此外，本研究主要是借助柔性热管确认变孔隙毛细芯的有效性，柔性热管的整体传热性能还有较大的提升空间，这将在后续的研究中进行进一步的优化。

3.5

冷凝段冷却方式对比

空冷和水冷都是应用在热管冷凝段常用的冷却方式，但二者的效果不尽相同，本文针对3号平板热管进行冷凝段冷却方式的对比研究，倾角均控制为45°。其中空冷的方式采用空气自然对流散热，水冷时考虑到系统的整体传热量，冷却水的流速调节为1.5L/min。图15为3号平板热管在水冷的方式下的各测点温度的轴向变化图，空冷时的温度如图10(c)，空冷和水冷时不同功率下的平板热管冷热端温差如图16所示。

图15  不同功率下冷凝段水冷冷却时3号平板热管温度轴向变化

图16  不同冷却方式不同功率下的3号平板热管冷、热端温差

由于空气自然冷却对于冷凝段温度控制的稳定性不如水冷的方式来得好，所以空冷的方式下各测点的温度波动相对于水冷的方式会更为明显，在相同加热功率下，空冷时平板热管的各测点温度明显高于水冷时的温度。采用水冷冷却时，随着加热功率的上升，冷凝段的温度上升幅度很小，基本始终保持在25℃以下，所以各点温度比较低但冷热端温差会稍大于空冷下的温差。

空冷方式下平板热管可以承受的加热功率比水冷方式下的低很多，10.4W时加热端已经达到85℃，而水冷时，相同的温度下加热功率可达13～14W。这是因为采用水冷的方式时，冷却水与热管之间的换热热阻远小于自然空冷与热管换热的热阻，传热极限相应上升。

4

平板热管性能测试实验误差

为了提高实验的可靠性，需要对实验过程进行误差分析。实验系统各类误差见表2。

表2  平板热管性能测试实验各类误差

其中，注射器充液量、环境误差、机械加工误差以及实验者误差等都不会对实验数据造成误差传递。

实验中所用的直流稳压电源，电压精度为±0.01V，电流精度为±0.01A，实验过程中用到的最小电压值Umin和最小电流值Imin分别为9.4V和0.34A。可以计算得出电压的最大相对误差和电流的最大相对误差分别为0.11%和2.94%。

实验过程中，整个实验装置周围填充了大量的保温棉，起到隔热作用，减少系统的热损失。因此，实验中由热损失产生的误差忽略。温度测量时产生的误差包括K型热电偶测温误差和数据采集仪误差。实验测量的温度范围在15～90℃，K型热电偶测温时的最大相对误差为0.67%，数据采集仪误差为±0.2%。温度测量的不确定度可以表达如式(1)。

计算可得，温度测量的不确定度为0.699%。

热阻的不确定度如式(2)。

式中，Tw为热管测试时加热段与冷凝段的平均温差的最大误差值；Tmin为热管测试时加热段与冷凝段的平均温差的最小值。

计算可得，热阻的不确定度为3.02%。

5

结论

本文研制了变孔隙毛细芯平板热管，分析了毛细芯的孔隙分布等对热管的启动性能和传热性能的影响，得出结论如下。

（1）不论毛细芯的具体结构如何，含毛细芯的平板热管相对于不含毛细芯的平板热管表现出更好的温度特性，具体表现为更好的均温性能和更高的传热极限。在相同加热功率的情况下，达到平衡时，含毛细芯的热管冷、热端温差更小，温度分布更均匀。回流时毛细力和重力相辅相成，工质循环更好，相同功率下热管升温较少，整个热管可以承受的最高加热功率也更大。

（2）含有变孔隙复合毛细芯的热管比含均匀孔隙毛细芯的热管性能更好。其他条件相同，以蒸发段温度不超过85℃、热管运行稳定为衡量标准，倾斜角度为45°时，变孔隙毛细芯热管能承受的加热功率可达10.4～11.4W，均匀孔隙毛细芯热管稍小一点，约为9.4W，而无毛细芯的重力热管仅可达约7.4W。复合毛细芯中，沿工质流动方向从冷凝端到蒸发端孔径变小的复合毛细芯所制备的平板热管性能又稍优于同方向上毛细芯孔径变大的平板热管。

（3）在重力的辅助下，回流液体与蒸发的蒸汽相互作用，平板热管存在一个最佳的放置倾角，在这个角度下，相对于其他角度，热管的热阻较低、最大传热量较大、均温性能较好。含回流的方向上孔径变小的复合毛细芯的平板热管在约45°时呈现出最好的传热性能。含变孔隙毛细芯的平板热管水冷时比空冷时的加热功率可以增加约4W，相同的加热功率下，采用水冷冷却时各测点温度更低。

作者简介●●

第一作者：陆宁香，硕士研究生，研究方向为先进热管技术。

通信作者：李金旺，副研究员，硕士生导师，研究方向为先进热管与热控技术。