| 题名 | 150-250K低温回路热管的理论和实验研究 |
| 作者 | 刘成志 |
| 答辩日期 | 2012-05-16 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 董德平 ; 陆燕 |
| 关键词 | 150-250k 低温回路热管 双蒸发器 理论仿真 实验研究 |
| 学位专业 | 物理电子学 |
| 英文摘要 | 为了满足冷源与被冷却组件之间大冷量、长距离、小温差的冷量传输要求，毛细力驱动的两相流体传热器件——回路热管得到了快速的发展。目前，空间探测仪器中很多负载的工作温区都集中150-250K之间，因此有必要研究在该温区进行冷量传输的低温回路热管。当需要对光学仪器上一个大的热源或多个分散的点热源进行散热时，并联多个蒸发器的低温回路热管因其结构简单、布置灵活方便等优点而备受青睐。本论文在我所两相流体传热器件研制经验的基础上，首次对150-250K温区的单蒸发器、双蒸发器低温回路热管进行了理论研究，并制作出相应的原理样机，开展了涉及降温、启动、传热性能等多方面的实验测试。在对低温回路热管的热力学特性及工作模式进行了深入分析以后，本文提出对低温回路热管的研究应集中在可变热导区，并给出了“最佳工作区域”的概念，工作在该区域的低温回路热管具有最佳的传热性能，即此时低温回路热管处于高热导小温差的传热模式，低温回路热管“最佳工作区域”的大小与漏热和冷凝器冷凝能力有关，在补偿器始终处于两相状态并控制热管工作温度的状况下，漏热越小、冷凝器冷凝能力越大，最佳工作区域就越宽。针对工作在可变热导区的低温回路热管，本文对其进行了一维稳态建模，模型对热管各部件的流动传热机理进行了详细分析，对蒸发器主吸液芯的漏热计算方法进行了修正，并给出了环境对流换热系数的参考值，使模型对热管漏热项的计算更加准确，另外，模型中还引用了适合于低温工质计算的两相流压降、相变换热系数等经验公式，将模型计算结果与实验对比后发现，模型在一定的热负载范围内与实验吻合的较好。同时作者还利用一维热流分析软件SINDA/FLUINT v5.3对低温回路热管开展了仿真模拟，SINDA/FLUINT以其友好的图形化界面和集成的相关回路热管模块使用户的建模更加方便、快捷，同时它的计算结果准确度也更高。低温回路热管的启动问题是本文的一个研究重点。文中首先从理论上指出了影响低温回路热管启动的关键因素，探讨了4种不同的蒸发器内部气液分布状态下的启动难易程度。随后，在低温回路热管样机的实验中，作者根据不同的管型以及启动失败情况提出了相应的辅助启动措施，对于工质无法在蒸发器吸液芯外表面建立沸腾所需过热度的低温回路热管，可采取启动加热片或蒸发器高热流密度的方式辅助启动；对于工质未能及时地补充到主吸液芯中而导致吸液芯烧干的低温回路热管，可采取接入烧结三通或次蒸发器单元的结构设计，辅助启动。低温回路热管的传热能力是本文的另一个关注焦点。基于低温回路热管的实际运行情况，它的传热性能受到沸腾极限或者说“最小启动极限”与冷凝极限的影响，一般低温回路热管的运行都存在一个最小启动加热功率，来保证工质液体在吸液芯外表面沸腾并建立起推动工质正向流动的毛细压力。为了降低该功率，必须要减小漏热。文中作者通过对热管中漏热来源、组成等的详细分析，阐述了如何有效地减弱它的影响；低温回路热管的传热上限往往受到冷凝器最大冷凝能力的限制，因为低温回路热管的小型化以及小孔径金属多孔烧结材料作为主吸液芯的引入，导致低温回路热管的冷凝极限往往小于它的毛细极限，而冷凝器的最大冷凝能力不仅与冷凝器自身的结构设计有关，还受到补偿器大小的严重影响。在对单蒸发器低温回路热管的研究过程中，作者研制了两台原理样机CLHP1和CLHP2，CLHP1用于150-250K温区低温回路热管的降温启动研究，CLHP2的研制主要是基于工程应用实践，因此设计时充分考虑样机小型化，目标传热能力为10W。对CLHP2的研究围绕着理论和实验两方面展开，理论分析表明影响CLHP2传热性能的主要因素是冷凝极限和漏热，冷凝极限限制了它在可变热导区的最大传输能力，而漏热是引起冷热端传热温差的主要因素；CLHP2的实验结果表明：它在17W时达到传热极限，在9W的热负载条件下具有最佳传热性能，热阻为1.1K/W。另外，文中还利用理论模型进行了CLHP2的数值计算和仿真模拟，通过对工作温度的理论与实验值比较，作者认为CLHP2在进行小功率传热时，工作温度主要受环境寄生漏热的影响，而进行大功率传热时，主要受主芯漏热的影响；借助于模型计算，本文同时给出了CLHP2工作过程中各部件压降、漏热等关键参数随热负荷的变化关系。本文研制了两台双蒸发器低温回路热管样机DeCLHP和A-DeCLHP，设计传热能力均为15W。DeCLHP是在CLHP2的基础上并联一组蒸发器补偿器单元得到的，实验过程中表现出了一定的运行不稳定性，为此，作者提出了在DeCLHP液体管线的工质分流处引入一种烧结三通结构来进行工质的均匀分配和辅助热管的启动运行，实验证实了这种方法的可行性，优化后的DeCLHP能够最高传递16W的冷量；并且在12W时，传热热阻最小，为0.8K/W。A-DeCLHP的设计思想是作者对DeCLHP的结构加以改进后提出的，主要是引入了一组次蒸发器补偿器单元并以此来辅助热管的降温启动。通过5组启动实验和3组传热性能实验对自行研制的A-DeCLHP样机进行了考察，结果表明：它在次回路的辅助下能够快速稳定地实现降温启动，最大传热能力达17W，传递16W冷量时，传热热阻最低，为1.3K/W，优于上述优化后的DeCLHP在传递16W冷量时的性能，将传热温差缩小了3K左右，因此更加适合应用于目标散热量为15W的工程任务中。同时，作者还对A-DeCLHP实验过程出现的不同主蒸发器之间的热分享特征、不同工况下的控温补偿器切换、温度波动、温度迟滞等现象进行了分析，初步阐明了双蒸发器低温回路热管的运行机理。 |
| 学科主题 | 红外系统与元部件 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5396]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘成志. 150-250K低温回路热管的理论和实验研究[D]. 中国科学院研究生院. 2012. |
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