环路热管（loop heat pipe，LHP）是一种被动式传热装置^[1]，因其具有高传热效率、远距离热传输能力等优势，在空间热控^[2-3]及电子器件散热^[4-5]等领域得到广泛应用。LHP内部工质的流动和气液相变换热是其运行的主要过程^[6]，因此工质对LHP的工作特性有非常重要的影响。低温LHP的研究中所涉及的工质主要包括氦、氢、氖、氮、氩、甲烷等，且多集中于110 K及以下的深低温区，相关研究如：Ku等^[7]以氦气为工质对3 K温区的LHP进行了研究，主要包括LHP的降温、启动、对热负荷响应及传热能力等，实现了140 mW的传热量，研究发现在传热量超过LHP毛细极限后，能通过减小毛细芯上的热负荷使LHP再次恢复正常工作。Hoang等^[8-9]以氢为工质对应用于空间探测项目中的20～30 K温区LHP进行了研究，通过在邻近冷凝器处设置调压部件及缩小传输管线尺寸等方式使LHP整体质量和所占空间缩小，理论计算得出缩减后的LHP能满足在20～28 K温区内以主环路5.0 W和次环路2.5 W的传热量要求；在不同温度遮光罩内的实验研究发现，缩减优化后的LHP单位长度传热量比优化前的提升量达到80%。Guo等^[10]以氖为工质，研究了次环路热负荷和工质充装量对LHP的影响，发现LHP能在次环路1.5 W热负荷下成功实现超临界降温和启动，在最佳的次级环路热负荷和充装压力条件下，主蒸发器能实现快速的降温，该LHP在0.6 m距离下的传热量能达到4.5 W。以氮为工质的LHP研究则比较广泛，如：Guo等^[11]对带备份的低温LHP热控系统进行了实验研究，结果表明主份和备份LHP均能以2.5 W的次环路热负荷实现超临界降温和启动，系统能以多种模式工作；Yan等^[12]研究了充装压力对LHP传热特性的影响，包括降温时间、传热热阻等，得到了样机的最佳充装压力；Bai等^[13]研究了次级环路和调压气库与环路的连接位置对液氮温区LHP的启动和稳态传热特性的影响，发现次级环路与主补偿器的连接位置对LHP的超临界启动影响不明显，但能明显影响传热量，当连接点位于主补偿器的中间或者顶部时，LHP的传热量比连接点在底部时有明显提升，而调压气库连接位置对LHP传热量影响不明显。Pereira等^[14]采用氩气和丙烷在重力辅助条件下分别实现了LHP在90～150 K温区内20 W及200～240 K温区内30 W的热量传输。Guo等^[15]研究了甲烷LHP在100～190 K内的传热特性，主要包括超临界启动、不同热沉温度下的传热量和传热热阻、热响应特性等，实现了0.6 m传输距离上10 W的热量传输。虽然另有少量涉及目标温区LHP的研究^[16-19]，但尚未见有采用乙烯工质的LHP研究报道，且缺乏对180～230 K相关的工质对比实验研究，因此这方面需要针对性的拓展。

作者通过采用乙烯、乙烷和丙烯为工质，对180～230 K温区的LHP展开了实验研究。主要研究了工质对LHP在不同热沉温度下的启动、工作温度对热负荷增大的响应及稳态传热热阻的影响，对比实验结果，结合LHP运行机理分析了由于工质不同而导致上述特性差异产生的原因。

实验研究所采用的环路热管样机结构参数如表1所示。其中，除冷凝器和毛细芯以外的其他部件均为316 L不锈钢，部件之间采用焊接或卡套管连接。冷凝管线为紫铜，管线嵌入轻质的铝合金底板，并在冷凝管线与底板流道之间填充导热脂以提升换热效率。毛细芯为烧结镍粉，与不锈钢蒸发器之间采用加热套装方式进行过盈配合安装以保证良好的接触。工质为乙烯、乙烷和丙烯，纯度均优于99.99%，充液率均保持在约65%（随工作温度变化有小幅波动）。

表1(Tab. 1)

表1 LHP参数 Tab. 1 Parameters of the LHP

表1 LHP参数 Tab. 1 Parameters of the LHP 部件 参数 蒸发器 外径24 mm，内径20 mm，长度90 mm 毛细芯 孔隙率0.46；有效孔径1.5 μm； 气体槽道宽 1 mm，深 1 mm，长度75 mm 气体管线 外径3 mm，内径2 mm，长度1200 mm 冷凝器 内径4 mm，长度437 mm 液体管线 外径3 mm，内径2 mm，长度1250 mm 补偿器 外径24 mm，内径20 mm，长度60 mm

为了维持系统的紧凑性而未采用调压气库，充装完成后的LHP在室温（由空调控制在约293 K）存放时内部压力较高，所以各部件均采用圆柱体结构以保证足够的承压能力。

实验系统如图1所示，主要包括真空罐、真空泵组、脉管制冷机、数据采集器、计算机及直流电源等。由于实验中LHP工作温度远低于室温，为减少环境漏热量对实验产生干扰，采用30层多层隔热组件将LHP包裹后置于真空罐内，真空罐和真空泵组能提供优于4.5×10^–3 Pa真空度的实验环境。另外，为避免倾斜角度对实验的影响，LHP以整体水平的姿态安装。

图1(Fig. 1)

图1 实验系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the experimental system

LHP蒸发器外壳贴有薄膜加热片以模拟热源，以脉管制冷机冷指模拟冷源，并将其与LHP冷凝器以压板方式紧固耦合安装。通过调节加热片和制冷机的输入功，模拟LHP在不同温度和热负荷下的工作状况。LHP各部件表面安装有精度优于±0.5 K的Pt 1000测温电阻（Ev、VL、L、CC、CI、CO），安装位置如图2所示。图2中，测温电阻CC位于补偿器的中间，Ev位于蒸发器的中间，VL和LL分别位于气体管线和液体管线的中间，CI和CO位于冷凝器的入口和出口处。测得的温度数据通过数据采集器采集后传输至计算机记录存储，采集间隔时间为20 s。

图2(Fig. 2)

图2 测温电阻安装位置示意图 Fig. 2 Location of the temperature sensors

由于乙烯的临界温度略低于室温，实验开始前用喷淋液氮的方式将LHP蒸发器和补偿器温度降至低于乙烯临界温度10 K以上，这样能保证LHP蒸发器内有液态工质将毛细芯润湿，同时还能降低补偿器内的压力，促进LHP启动。乙烷和丙烯的临界温度高于室温，所以充装乙烷和丙烯的LHP不需要提前对蒸发器和补偿器进行降温。

实验开始前检查各线路和设备，确认实验系统，正常后，开启真空泵组，将真空罐抽气至优于1×10^–2 Pa的真空度；然后，开启脉管制冷机对冷凝器降温，待冷凝器最低温度降低至接近设定温度时，开启加热片的直流供电电源，输入5 W热负荷以启动LHP。若LHP启动成功，则其内部的工质将形成蒸发、冷凝和流动循环，完成热量从热源至冷源的传输，从冷凝器回流至蒸发器的低温液态工质将导致蒸发器温度下降。由于5 W传热量较小，LHP内部工质的质量流量和流速较低，这将限制LHP蒸发器的降温速度，延长LHP达到稳定状态（各点温度在5 min内变化不超过1 K）的时间，所以，在确认LHP启动成功以后，增大热负荷至10 W以加快蒸发器的降温速度，随着LHP接近稳定状态，蒸发器温度下降速度逐渐减缓，各点温度均趋于平稳。LHP达到稳定状态后，以10 W为步长依次增大热负荷，直至接近加热片的限制功率50 W以测试LHP工作温度对热负荷增大的响应和稳态传热热阻。

乙烯LHP的启动过程如图3所示，3次启动前的蒸发器和补偿器温度都在约260 K。在输入5 W热负荷后，蒸发器受热而温度上升，气体管线和冷凝器温度随后也出现上升，液体管线温度迅速下降，分别如图3（a）、（b）、（c）中的24～36、28～37、21～32 min阶段所示，说明蒸发器内的工质蒸发后，经过气体管线进入冷凝器，并推动冷凝器中温度较低的液态工质进入液体管线。冷凝器中低温的液态工质通过液体管线回流至蒸发器和补偿器，并被毛细力抽吸到毛细芯外表面再次参与吸热蒸发而进入气体管线，至此工质开始形成循环，能实现热量的传输。回流的低温工质将导致蒸发器温度下降，这也标志着LHP开始启动，分别如图3（a）、（b）、（c）中的36～41、37～43、32～37 min段所示。当蒸发器温度开始下降而确认LHP开始启动之后，增大热负荷至10 W以增大工质的质量流量和流速，从而加快蒸发器的降温速度，分别如图3（a）、（b）、（c）中41、43、37 min处所示，同时调节制冷机的输入功以控制热沉温度T_c。，增大热负荷之后蒸发器和补偿器及气体管线的温度都快速下降，随后下降速度逐渐减缓，直至趋于平衡。从图3可以看出，启动前蒸发器温度约为260 K的乙烯LHP在不同热沉温度下的启动情况大致相同，启动时间分布于13～16 min，启动温升（启动时蒸发器的温度与加热前温度的差值）都约为9 K，热沉温度对乙烯LHP的启动无明显影响。

图3(Fig. 3)

图3 乙烯LHP的启动 Fig. 3 Start-ups of the ethylene charged LHP

LHP充装乙烷和丙烯时的启动过程分别如图4和5所示，由图4可见，乙烷LHP启动前，蒸发器温度在289～293 K范围内，3种热沉温度下的启动过程相似，分别如图4（a）、（b）、（c）中的27～34、28～38、12～21 min阶段所示。随着蒸发器温度下降，LHP开始启动，将热负荷增大至10 W，蒸发器和补偿器及气体管线温度快速下降之后逐渐趋于平缓，该过程与乙烯LHP启动类似。乙烷LHP启动时间在7～10 min，启动温升均不大于2 K，热沉温度对乙烷LHP启动的影响不明显。

图4(Fig. 4)

图4 乙烷LHP的启动 Fig. 4 Start-ups of the ethane charged LHP

图5(Fig. 5)

图5 丙烯LHP的启动 Fig. 5 Start-ups of the propylene charged LHP

由图5可见，丙烯LHP在启动前，蒸发器温度约在286～289 K之间，其启动过程与乙烷LHP类似，但启动时间较长，对应热沉温度为170 、190和210 K时，丙烯LHP的启动时间分别约为17、21及21 min，启动温升均在2 K以内，与乙烷LHP接近，热沉温度的影响不明显。

启动前的蒸发器温度相近时，乙烷LHP的启动时间短于丙烯LHP。这主要是因为丙烯在对应温度范围内的汽化潜热和液体黏度明显大于乙烷，丙烯工质汽化而推动液体工质的回流，相比于乙烷工质需要吸收更多的热量，在热负荷相同的条件下，需要更长的时间来实现。

确认LHP启动后，增大热负荷至10 W，待LHP达到新稳态后，以10 W为步长依次增大热负荷至50 W，并测试LHP工作温度对各热负荷的响应。不同热沉温度下，充装乙烯、乙烷和丙烯的LHP运行状况分别如图6、7和8所示，从图6、7、8中可知，随着热负荷的增加，LHP达到稳定状态所需要的时间呈现缩短趋势：10和20 W热负荷下，LHP达到稳定的时间在1～2 h；随着传热量的增加，工质流速加快，热负荷增大至30、40和50 W时，LHP达到稳定状态所需要的时间逐步缩短，且均在40 min以内。

图6(Fig. 6)

图6 乙烯LHP的运行 Fig. 6 Operation of the ethylene charged LHP

图7(Fig. 7)

图7 乙烷LHP的运行 Fig. 7 Operation of the ethane charged LHP

图8(Fig. 8)

图8 丙烯LHP的运行 Fig. 8 Operation of the propylene charged LHP

多数情况下补偿器温度高于蒸发器温度，而随着热负荷的增加，蒸发器温度逐渐接近补偿器温度。这是由于回流至蒸发器和补偿器的低温液体工质进入蒸发器核心，随后才流入补偿器，所以低热负荷下蒸发器温度低于补偿器温度。热负荷逐渐增大，导致蒸发器处热流密度逐渐增大而使蒸发器温度升高速度快于补偿器温度升高速度，所以两者之间差值随着热负荷增大而减小，即蒸发器温度逐渐接近补偿器温度。

随着热负荷的增加，蒸发器温度先减小后增大，蒸发器工作最低温度均出现于20或30 W热负荷下。这主要由于冷凝器在20～30 W热负荷下被完全利用，即热负荷小于该范围时，冷凝器的冷凝能力足够，其内部的气液界面尚在冷凝器内部，回流至蒸发器和补偿器的液态工质过冷度充足，而工质流速随热负荷增加而增加，所以液体管线段的漏热量随热负荷增加而减少，因此蒸发器温度随着热负荷增加而降低；当热负荷超过该范围时，冷凝器被完全利用，其冷凝能力不足导致气液界面靠近冷凝器出口，回流液态工质过冷度不足将导致蒸发器和补偿器温度的升高。LHP充装不同工质的运行变化均符合上述结果，所以，工质对LHP工作温度随热负荷在10～50 W范围内增大的响应影响并不明显。

在10～50 W传热量范围内，LHP均能稳定运行，根据LHP的运行原理将环路热管稳态传热热阻定义为：

式中：R_LHP为LHP传热热阻，K/W；T_e为蒸发器温度，K；T_c为冷凝器出口温度，K；Q为热负荷，即LHP的传热量。各工况下LHP传热热阻如图9所示。由图9可以看出，相同工况下的乙烯LHP稳态传热热阻均小于乙烷LHP和丙烯LHP，且实验热负荷范围内，LHP稳态传热热阻随着热负荷的增加而减少，随着工作温度的升高而减小，得到的最小稳态传热热阻约为0.21 K/W。

图9(Fig. 9)

图9 LHP传热热阻 Fig. 9 Thermal resistance of the LHP

根据LHP运行原理可知，蒸发器中蒸发界面处与补偿器内气液界面的工质都处于饱和状态，存在一定的饱和温度差和对应的饱和压力差，且这个饱和压力差与工质从蒸发界面到补偿器气液界面的流动压降（外环路压降）相平衡。当工质从蒸发器流至补偿器的压降较大时，对应蒸发器和补偿器之间的饱和压差和温差也较大，造成蒸发器向补偿器的漏热量大，导致补偿器的温度及压力上升，为了维持工质的流动，蒸发器的工作温度和压力和温度也会上升。所以，在相同的热负荷下，工质的外环路压降越大，对应的蒸发器工作压力和温度也越高，LHP整体的传热温差和传热热阻也越大。

工质在LHP外环路的压降主要为分布于气体槽道、气体管线、冷凝器和液体管线的沿程压降。40 W热负荷下对应的压降计算结果如图10所示。由图10可以看出，工质在LHP气体管线的压降远大于在其他部位的压降，符合分析结果。LHP的气液传输管线常为薄壁细管，且通常有相近的内径和长度，而LHP稳定工作时内部工质质量流量一定，又因为气体工质的密度远小于液体工质密度，所以气体工质流速远大于液体工质，造成工质气相压降远大于液相压降，因此液体管线中的压降可忽略。冷凝管径较大且通常存在较多液体工质，工质流速小，其中的压降也可忽略。气体槽道的几何长度很小，其中压降也可忽略。

图10(Fig. 10)

图10 40 W热负荷下LHP工质在外环路的压降 Fig. 10 External pressure drops of LHP working fluids with a heat load of 40 W

综上所述，工质经过LHP外环路的主要压降是气体管线中的压降，在相同传热量下，较大的气体管线压降对应较大的LHP传热温差和传热热阻。

在40 W传热量下，3种工质流经LHP气体管线的压降随温度变化如图11所示。由图11可以看出，在实验温区范围内，乙烯工质经过气体管线的压降小于乙烷和丙烯，压降均随工作温度的升高而减小。这是因为乙烯气体工质密度大于乙烷和丙烯且气体工质的密度随着温度的升高而变大，所以，相同传热量下的乙烯气体工质流速小于乙烷和丙烯且气体工质流速随着温度升高而减小，流动压降也随着温度的升高而减小。上述分析也印证了图9中不同工质充装的LHP稳态传热热阻在实验热负荷范围内的相对大小及随着工作温度升高而逐渐减小的趋势。

图11(Fig. 11)

图11 40 W热负荷下工质在气体管线内的压降 Fig. 11 Working fluids pressure drops through the vapor line with a heat load of 40 W

通过选用乙烯、乙烷和丙烯3种工质研究了工质对180～230 K温区LHP在不同热沉温度下的启动特性和工作温度对热负荷增大的响应及稳态传热热阻的影响，并详细分析了LHP启动和运行特性的差异及工质和上述差异之间的关系。根据实验和分析结果，可以得到以下主要结论：

1）工质能影响LHP的启动时间：在170、190 K和210 K的热沉温度下，启动前蒸发器温度相差不超过7 K时，乙烷LHP和丙烯LHP的启动温升接近且均不超过2 K；乙烷LHP启动时间在7～10 min以内，短于丙烯LHP的17～21 min，两种工质的汽化潜热和液体黏度差异是造成上述影响的主要原因。启动前蒸发器温度在约260 K时，乙烯LHP启动时间在13～16 min内，启动温度都在约269 K。热沉温度对不同工质LHP的启动特性无明显影响。

2）LHP工作温度对热负荷增大的响应特性受工质影响不明显。充装乙烯、乙烷和丙烯的LHP达到稳定状态的时间都随着热负荷增加而逐渐缩短。20～30 W热负荷范围内，LHP冷凝器被完全利用，热负荷小于该范围时，蒸发器工作温度随热负荷增加而下降；超过30 W后，蒸发器工作温度随热负荷增加而上升。

3）工质能明显影响LHP稳态传热热阻，工质流经LHP气体管线的压降是影响其稳态传热热阻的重要因素。同工况下乙烯在气体管线中的压降小于乙烷和丙烯，且压降均随工作温度的升高而减小，相应的乙烯LHP稳态传热热阻小于乙烷LHP和丙烯LHP，且传热热阻均随工作温度升高而减小。