1、環路熱管結構設計及性能分析工作機理，熟悉環路熱管性能與結構之間的理論關系，選擇工質及系 統材料（主要是毛細吸液管芯和金屬材料），分析計算環路熱管的各類極 限并對環路熱管相關部件進行校核，分析環路熱管的熱性能。1環路熱管組成和工作原理環路熱管（LHP）通常由五個主要部件組成：蒸發器、冷凝器、補償 室、蒸汽管、液體管。蒸發器是結合毛細吸液管芯和蒸汽通道的最重要部 件。LHP與傳統熱管的一個重要區別是，環路熱管（LoopHeatPipe，LHP） 只在蒸發器的內部放置毛細吸液管芯，而我所了解的普通熱管在整個管道 中都有毛細吸液管芯。如圖1所示。根據蒸發器的結構，液壓泵可分為圓 柱形和扁平兩種。平板的

2、LHP很容易與熱源結合，以降低熱接觸電阻。圓 柱形的可以在不同面進行換熱，尤其是在反重力的環境中。環路熱管的主 要工作原理：當蒸發器從熱源加熱時，內部工作介質蒸發，產生的蒸汽沿 著蒸汽流動路徑排出，并通過蒸汽管道進入冷凝器。物料通過流體管路返 回補償室，補償室中的液體工作介質經過毛細吸液管芯的毛細吸液管吸入， 從而進入蒸發器內部進行兩次蒸發，這個循環的過程就是一個換熱循環。 可以看出區別在于操作模式的配置。獨特的氣液兩相流LHP大大減少了傳 統熱管的傳熱問題，但對毛細吸液管芯提出了更高的要求。2環路熱管的工作極限受其工作原理或施工設備的影響，熱管回路在運行過程中會出現速度 限制、沸騰限制、黏度

3、限制和傳動限制。聲速極限：隨著熱負荷的增加， 系統中產生的蒸汽量增加。最大蒸汽流量出現在蒸發器的出口。當蒸汽流 速超過局部聲速時，回路熱管的傳熱效率達到極限。隨著負載的增加，由于蒸發器溫度過高，回路的熱管會崩潰;沸點：熱負荷高時由于蒸發器 殼的熱導率和毛細吸液管芯的反向漏電，毛細吸液管芯的內部工作流體也 會蒸發，生成的泡沫防止毛細吸液管冷凝回流，降低吸水能力的核心: 黏度極限：當蒸發器的輸入功率或溫度較低時，正工作液的驅動力小于工 作液的黏性阻力，回路熱管不能正常工作。黏度極限在非常低的熱管溫度 下很常見;轉移極限：在非常高的輸入功率條件下，此時過量的蒸汽有 能力將液體工質從毛細吸液管芯表面轉

4、移到蒸汽通道。普通熱管及環路熱管一樣，反重力環路熱管依靠毛細吸液管芯中的毛 細力驅動其運行，在穩態工作時其內部各壓力必須滿足以下條件：（1）其中：一一是蒸發段中毛細吸液管芯產生的最大毛細力壓力差；是整個回路中的蒸汽壓力降；是整個環路中的液態工質壓力降；是工質在蒸發段蒸發時在液面產生的相變壓差；是工質在冷凝段冷凝時在冷凝液面產生的相變壓差；為整個環路中重力對工質產生的重力壓差。由于本文的反重力環路熱管（LoopHeatPipe，LHP）X質量充足，冷 凝段最后的液面完全沒過毛細吸液管芯，所以最大毛細力壓力差是由蒸發 段毛細吸液管芯毛細孔徑大小與工質的性質決定，這些參數可以用楊氏- 拉普拉斯（Yo

5、ung-Laplace）的數學方程得到：（2）其中:是液態工質的表面張力;其中:是液態工質的表面張力;re蒸發段毛細吸液管芯的有效毛細半徑；e是液態工質與毛細吸液管芯材料的接觸角。3熱管結構設計3.1蒸發段設計本文討論的熱管是反重力，且可以用于電子設備芯片的冷卻，因此蒸 發段采用圓柱形式。3.2冷凝段的設計環路熱管(LoopHeatPipe, LHP)冷凝器的作用是將工作物質，從熱 源吸收的熱量，迅速準確有效地傳遞到環路熱管(LoopHeatPipe, LHP) 系統外的環境中。在情況正常下，冷凝段應該實用的是光管和質量比較輕 的管路，冷凝段也應該有毛細吸液芯。在這篇文章中，設計背景為反重力，

6、 即蒸發部分高于冷凝部分和工作流體的流動阻力應盡可能低，所以凝結的 是單一不太復雜，因此它應該是直輕管最為合適。為了滿足整個系統的傳 熱換熱要求，便于冷凝量大小的測量，本文選擇用水冷式，當作冷凝方式， 凝汽器管為殼體式，有效換熱長度為75mm。3.3環路熱管工質與管殼的選擇因為本文中的環路熱管(LoopHeatPipe，LHP)用于除去熱量的電子 芯片，其正常工作溫度不超過，從經濟性、安全性、熱性能以及工作環境 對環境影響的保護等方面來看，本文實驗系統選用銅作為材料，水做工質。 如圖2所示。根據傳熱理論，毛細吸液管芯的導熱系數應盡可能低，毛細 吸液管芯內的工作介質發生相變，所以毛細吸液管芯的材

7、料是金屬的低導 熱系數銅粉燒結處理完成。這里毛細吸液管芯的孔隙度的影響和系統上的 孔徑是一個重要的因素，在本文中，毛細吸液管芯的規格，外直徑12毫 米，內徑9毫米，長度20毫米，孔隙大小120微米60微米，15微米，5 微米4類型。LHP各部件的尺寸琴數設置如表1。4熱阻計算本文中主要設計校核的部分為環路熱管的總熱阻，本文第二章詳細描 述了設計的熱阻模型及其計算公式，第三章前半部分列出了部分部件的數 據，綜合全文相關書籍，熱阻計算如下：4.1冷凝段的熱阻計算由公式(3)和設計參數計算熱阻(4)其中：一一管內工質的表面換熱系數；管內面積。計算得：(5)其中： 冷凝段內徑；冷凝段外徑；冷凝段工質的

8、導熱率；冷凝段長度。（6）其中：一一管外空氣的表面換熱系數;管外面積。計算得：4.2蒸發段的熱阻計算和設計參數計算熱由公式（7）和設計參數計算熱阻，如下：（8）其中：一一蒸發段內徑；蒸發段外徑；蒸發段工質的導熱率；蒸發段長度。計算得：（9）其中：一一管內空氣的導熱率；管內面積。計算得：（10）其中:蒸汽壓力；氣體常數；蒸氣溫度；蒸發器長度；蒸發器直徑。計算得：4.3熱管總熱阻計算本文第二張描述了熱管總熱阻的計算方法和公式，第三章設計了相關 參數，根據公式計算得：經閱讀文獻數據了解，該總熱阻符合要求。4.4毛細吸液芯極限的計算4.4.1最大毛細壓力差的計算由表1數據，及公式（2）可計算出：4.4

9、.2系統中的質量流量計算在本文中，系統中的質量流量計算將使用公式（9）計算得到：（11）其中：W蒸發器的功率；h水一一水的藏化潛熱。4.4.3回路的蒸汽壓力降計算由以下公式得到：（12）對于本文設計的毛細吸液芯結構，內外徑間的壓降計算式為：（13）其中：一一水的動力黏度；毛細吸液芯長度；毛細吸液芯的滲透率；毛細吸液芯外徑；毛細吸液芯內徑。計算得到：對于本文設計的蒸發器結構，槽道中的壓降計算式為：（14）其中：一一水蒸氣的黏性系數；水蒸汽的有效流動長度；蒸發器蒸汽槽道的半徑。計算得到：最終得到回路的蒸汽壓力降為:4.4.4回路中工質壓降的計算在本文設計的整個環路熱管當中，工質為水，在計算回路中的

10、壓力降 的時候，均可以采用公式計算得到：（15）其中：f管路中的摩擦系數；l管路長度；d管路直徑；v流速。綜上可計算出：4.4.5反重力壓差計算本文設計為反重力裝置，所以在極限計算時需要計算反重力的壓差計 算，計算如下：（16）4.4.6毛細吸液芯極限的比較由公式及計算得出數據得到：與計算得出的本設計最大毛細力壓力差比較得到：滿足條件。5環路熱管的相關數據分析根據前面章節計算我們得出本設計熱管總熱阻為：由公式 變化得到：(17)其中：一一蒸發器平均溫度；冷凝器平均溫度；蒸發器輸入功率。根據了解相關文獻，本設計蒸發器輸入功率范圍為50300W，冷凝 器溫度為5C，蒸發器溫度范圍為2080C，蒸發器輸入功率和冷凝器溫 度及其熱阻，通過公式分別計算出蒸發器溫度見表2,繪出不同加熱功率 下的環路熱管蒸發器溫度變化情況見圖5。6結語本文