環(huán)路熱管多孔結(jié)構(gòu)的毛細抽吸性能及其制備與優(yōu)化.pdf

1、環(huán)路熱管(LHP)是一種新型的熱管--利用相變換熱的高效傳熱裝置，具有傳熱能力大、傳輸距離遠、安裝和布局方便、反重力運行能力強等諸多優(yōu)點，在高熱流密度電子散熱尤其是航空航天熱控制領域得到了越來越廣泛的應用。
　　 本文首先建立了環(huán)路熱管傳熱的分析模型，推導得出環(huán)路熱管穩(wěn)定工作時的傳熱熱流量可表示為工質(zhì)的汽化潛熱和毛細芯抽吸工質(zhì)的質(zhì)量流量的乘積。這從理論上表明工質(zhì)和毛細芯是影響環(huán)路熱管傳熱性能的關(guān)鍵因素，而毛細芯通過毛細力抽吸工質(zhì)

2、的行為則是其中重要的基礎問題。隨后建立了多孔結(jié)構(gòu)通過毛細力抽吸工質(zhì)的模型，推導了毛細抽吸量的數(shù)學表達式，并用實驗對其進行了驗證。研究結(jié)果表明，多孔結(jié)構(gòu)通過毛細力抽吸工質(zhì)時，其抽吸量按照指數(shù)增長函數(shù)的規(guī)律變化，該指數(shù)增長函數(shù)的偏置值和幅值互為相反數(shù)，大小等于多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率、橫截面積和高度與工質(zhì)的密度的乘積。該指數(shù)增長函數(shù)的時間常數(shù)的大小則等于多孔結(jié)構(gòu)的相對滲透率和孔隙率的比值、工質(zhì)的密度以及重力加速度的乘積的倒數(shù)，也就是說最終的抽吸量取

3、決于多孔結(jié)構(gòu)總孔隙體積的大小，而抽吸的速率則隨著多孔結(jié)構(gòu)的滲透率與孔隙率的比值的增大和工質(zhì)密度的增大而增大。對推導得出的多孔結(jié)構(gòu)毛細抽吸量的數(shù)學表達式分別進行了定性分析實驗驗證和定量計算實驗驗證。實驗的結(jié)果均與用所推導得到的毛細抽吸模型分析得出的結(jié)果吻合良好。
　　 本研究探討了所建立的環(huán)路熱管傳熱分析模型和多孔結(jié)構(gòu)毛細抽吸模型的相關(guān)研究的一些應用。研究結(jié)果表明多孔結(jié)構(gòu)毛細抽吸的快慢即是毛細抽吸力和滲透率的綜合平衡，本文將這種表

4、征多孔結(jié)構(gòu)通過毛細抽吸力抽吸工質(zhì)快慢的能力稱為毛細抽吸性能。在相同的時間內(nèi)，多孔結(jié)構(gòu)抽吸的工質(zhì)越多，也就是抽吸的速度越大，則說明其毛細抽吸性能越好。通常認為用于LHP的毛細芯提供的毛細抽吸力和滲透率均越大越好，但它們是矛盾的、此消彼長的關(guān)系，毛細抽吸性能則正好是它們的綜合平衡的體現(xiàn)。毛細抽吸性能的實驗方法可以用來測量多孔結(jié)構(gòu)的滲透率，該方法與傳統(tǒng)的測量滲透率的方法相比具有測試方便、密封要求低、流體驅(qū)動力為毛細抽吸力等優(yōu)點，因而更適合用來

5、衡量熱管使用的毛細芯。在多孔結(jié)構(gòu)毛細抽吸性能研究的基礎上，進一步研究了室溫下工質(zhì)的表面張力、密度和粘度等物性參數(shù)對多孔結(jié)構(gòu)的毛細抽吸性能的影響，結(jié)果表明多孔結(jié)構(gòu)通過毛細力抽吸不同的工質(zhì)時，在多孔結(jié)構(gòu)的高度小于其毛細抽吸的極限高度的情況下，最終的毛細抽吸量的大小由多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的總孔隙體積決定，抽吸的速率隨著工質(zhì)的表面張力以及密度的增大而增大、隨著工質(zhì)的粘度的增大而減小。此結(jié)果是與用工質(zhì)傳輸品質(zhì)因數(shù)在不考慮汽化潛熱因式的影響的情況下分析得出

6、的結(jié)果相吻合的。工質(zhì)傳輸品質(zhì)因數(shù)只衡量了熱管工質(zhì)的性能，本文探明了LHP的傳熱熱流量、工質(zhì)的傳輸品質(zhì)因數(shù)和物性參數(shù)、毛細芯的毛細抽吸性能之間的關(guān)系，提出了用毛細芯的毛細抽吸性能來研究LHP的傳熱性能的分析方法，這對指導環(huán)路熱管的設計和優(yōu)化具有一定的意義。
　　 本文所建立的環(huán)路熱管的傳熱分析模型和多孔結(jié)構(gòu)的毛細抽吸模型及其實驗方法除了具有上述的應用外，它們還可以用于指導毛細芯的優(yōu)化。例如，本文的優(yōu)化研究結(jié)果表明毛細芯的厚度存在一

7、個最佳值，這與許多文獻的研究結(jié)果是一致的；在毛細芯的孔徑和孔徑分布相同、毛細抽吸力也滿足要求的情況下，毛細芯的孔隙率越大，對提高環(huán)路熱管的傳熱性能也就越有利。基于上述研究結(jié)果，使用粉末冶金的方法結(jié)合造孔劑技術(shù)制備了一批高孔隙率的毛細芯，研究了制備參數(shù)對毛細芯孔隙參數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明：當使用微晶纖維素(MCC)作為造孔劑時，成型壓力每增大10MPa，毛細芯的孔隙率約減小6.32％；造孔劑添加量每增加10wt％，毛細芯的孔隙率約增加6.

8、64％；隨著造孔劑添加量的增加，毛細芯的平均孔徑變大、孔徑分布趨向于更分散。采用瞬態(tài)平面熱源法，研究了使用不同成型壓力和不同造孔劑添加量制備的LHP毛細芯的導熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)和單位體積熱容，探明了這些熱常數(shù)與孔隙率以及制備時所用的成型壓力和造孔劑添加量之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著孔隙率的增大，導熱系數(shù)呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，但熱擴散系數(shù)和單位體積熱容卻與孔隙率的關(guān)系并不明顯；含水毛細芯的導熱系數(shù)和單位體積熱容均比相同參數(shù)下干態(tài)的要大，

9、但熱擴散系數(shù)的情況卻不完全如此；隨著成型壓力的增大，毛細芯的導熱系數(shù)顯著增大，熱擴散系數(shù)和單位體積熱容變化情況不一；隨著造孔劑添加量的增大，毛細芯的導熱系數(shù)和單位體積熱容顯著降低，熱擴散系數(shù)明顯增大。采用添加適量造孔劑的方法，可以制備得到較大孔隙率、較大強度、較小導熱系數(shù)的毛細芯。
　　 本文在研究制備參數(shù)對毛細芯孔隙率和熱物性參數(shù)的影響的基礎上，提出了一種制備毛細芯時有效控制其孔隙率等參數(shù)的方法并進行了實驗驗證，結(jié)果表明用此控

10、制方法制備孔隙率為75％的毛細芯時其孔隙率誤差在6％之內(nèi)。進一步研究后還發(fā)現(xiàn)當調(diào)控成型壓力和造孔劑含量使得毛細芯的孔隙率相同時，毛細芯可以具有不同的毛細抽吸性能和強度以及相同的導熱系數(shù)，這為毛細芯的優(yōu)化制備和環(huán)路熱管傳熱性能的強化提供了重要參考。最后探討了LHP制造中的一些重要問題并實際制造了若干LHP實驗件并進行了傳熱特性實驗研究。對完整的LHP進行實驗研究，結(jié)果表明，熱源功率越大，LHP啟動越快，最后穩(wěn)定工作的溫度值也越高。通過對環(huán)

11、路熱管在開環(huán)(即沒有連接蒸汽管路)的情況下進行實驗研究，避開工質(zhì)循環(huán)和冷凝器等方面帶來的影響，專注研究毛細芯孔隙率和熱源功率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響，研究結(jié)果表明：在某些條件下，毛細芯蒸發(fā)器啟動時其溫度會出現(xiàn)劇烈的波動；毛細芯孔隙率越大，產(chǎn)生溫度波動所對應的熱源功率越??；毛細芯相同時，熱源功率越大，越容易出現(xiàn)溫度波動，并且溫度波動的程度越劇烈。溫度波動的原因是熱源功率和毛細芯孔隙率等參數(shù)不匹配?？傊?，通過本文的研究，可以得到一系列強