2. 北京航空航天大学 人机工效与环境控制国防重点学科实验室, 北京 100191
2. National Defense Key Discipline Laboratory of Ergonomics and Environmental Control, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China
随着电子技术的不断发展,大功率、高集成度电子设备在航空航天领域获得了越来越广泛的应用,由此产生的大散热量、高局部热流使得电子设备的热管理成为突出的问题[1].传统的冷却技术已难以满足其散热要求,环路热管(LHP)技术为这一问题的解决提供了有效手段[2, 3].作为一种高效两相传热装置,环路热管以传输热量大、输送距离远、传热效率高、重量轻、反重力能力强和无需外加动力装置等特点,在航天器热控制领域获得了广泛应用[4, 5].
飞行器在做机动飞行时,机载电子设备往往承受来自各个方向、不同大小的过载加速度作用,在这种加速度场中,LHP的工作特性会发生变化.国外针对常规单储液器LHP在过载加速度环境中的工作性能进行了一些研究,Ku等[6, 7]针对氨工质的小型LHP在变加速度力载荷作用下的启动特性和工作性能进行了实验研究,离心加速度范围为1.2g~4.8g(g=9.8 m/s2),所有实验工况下LHP均可以启动和工作,但是加速度导致了LHP温度振荡现象.Fleming等[8]针对工质为水的LHP进行了重力场和加速度场下工作性能实验,在0g~10g变加速度和100~400 W热载荷下LHP出现了烧干现象.Yerkes等[9]针对正弦周期性加速度环境下LHP的瞬态工作性能进行了研究,实验发现某些情况下过载加速度导致了LHP运行失败.
双储液器环路热管是在常规单储液器LHP基础上提出的,它在常规LHP蒸发器两端布置两个储液器,使其在飞行器以任何姿态飞行时都能对毛细芯有效供液,以解决运行姿态受限问题[10].
目前,针对DCCLHP的研究进展较为缓慢,早期俄罗斯国家科学院热物理研究所曾为美国空军实验室(AFRL)设计了一套双储液器环路热管,并且通过实验验证了其在不同姿态和加速度环境下均能运行的能力[11, 12].中国空间技术研究院的张红星等[13]、北京航空航天大学的林贵平等[14, 15, 16]针对DCCLHP进行了大量的研究,开展了不同蒸发器和储液器姿态下DCCLHP控温规律、工作特性、温度迟滞、温度波动以及可视化研究工作,取得了一定的研究成果.但是,对于DCCLHP在过载加速度场中工作性能的详细研究还未见有公开报道.因此,开展加速度作用时DCCLHP工作特性实验研究是非常必要的.本文基于恒加速度离心机系统,实验研究不同加热功率时DCCLHP受到不同大小和方向加速度作用时的工作特性,分析加速度效应对DCCLHP工作性能的影响规律.
1 实验装置 1.1 实验件
所用实验件为一套氨-不锈钢DCCLHP,其结构如图 1所示,为便于说明,无液体引管穿过的储液器为储液器1,有液体引管穿过的为储液器2.蒸发器外径/内径×长度为20 mm/18 mm×209 mm,冷凝器管线外径/内径×长度为3 mm/2.6 mm×2 200 mm,蒸气、液体管线外径/内径×长度为3 mm/2.6 mm×225 mm/250 mm,储液器体积为0.689 m3.
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| 图 1 DCCLHP蒸发器和储液器结构示意图Fig. 1 Construction of the evaporator and compensation chambers of DCCLHP |
采用Y53100-3/ZF型恒加速度离心机模拟加速度环境.如图 2所示,实验系统由冷却水循环子系统、加热与测量控制子系统、加速度模拟子系统组成.冷却水循环子系统由恒温水槽、质量流量计、磁力泵、调节阀、过滤器、换热器、冷板等组成,为LHP的冷凝器提供冷却水;加热与测量控制子系统由恒压恒流直流电源、电加热膜、Agilent数据采集仪、Pt100温度传感器、计算机等组成,用于对实验件加热、控制及数据采集、记录;加速度模拟子系统由变频器、地坑围护结构、主电机、转臂、液体转换装置、电信号转换装置、接线箱、控制计算机等组成,用于模拟加速度环境.
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| 图 2 实验系统原理示意图Fig. 2 Experimental system principle schematic |
薄膜型电阻加热片均匀对称地贴于蒸发器外壳上,通过导线将加热片与直流电源相连,改变电源的电压值则可模拟蒸发器上不同的热载荷.
DCCLHP冷凝器为嵌在紫铜片上的蛇形不锈钢管,紫铜片与水冷冷板采用螺栓固定,之间涂高导热系数导热脂以减小热阻.DCCLHP和冷板固
定在工装箱体内,而工装箱体固定在离心机转臂上.为减小漏热,DCCLHP各部分包覆橡塑保温棉,同时在工装箱体内填充硅酸铝棉.
实验中设定转臂上实验件安装位置处离心加速度的大小和启动时间,各工况下离心机启动时间均设为30 s,最大运行时间为1 h.实验件外形尺寸为565 mm×469 mm×25 mm,安装在工装箱体底面上,通过设置离心机转动半径,确保DCCLHP各部分承受的加速度值满足GB/T 2423.15规定的90%~130%.
采用Pt100铂电阻测量DCCLHP各部分温度,因内部工质温度难以测量,Pt100均布置在部件壁面上.如图 3所示,共有16个测温点,其中TC1,TC12,TC13分别布置在液体管线进口、出口和中间壁面上,TC2~TC6布置在冷凝器管线上,TC7和TC8位于蒸气管线进口和中间壁面上,TC9和TC11位于储液器上表面,TC10布置在蒸发器上表面.TC15,TC14用于测量冷却水进出口温度,TC16用来记录环境温度.
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| 图 3 DCCLHP测温点布置示意图Fig. 3 Schematic of DCCLHP measuring temperature locations |
考虑到单储液器LHP在蒸发器位于冷凝器上方时或受过载离心力时可能导致其无法正常运行的问题,针对如下两种布置方式进行实验:
1) 布置方式A——工装箱体水平安装在转臂上,蒸发器轴线沿转臂径向,储液器1靠近转臂旋转轴;
2) 布置方式B——工装箱体水平安装在转臂上,蒸发器轴线沿转臂径向,储液器2靠近转臂旋转轴.
针对上述两种加速度方向,在加热载荷为150,200,250和300 W情况下,先在地面重力场中启动和运行DCCLHP,达到稳定工作状态后再进行1g,3g,5g,7g加速度大小时DCCLHP工作性能实验,恒温水槽冷却水温度控制在19±0.5 ℃.
1.4 误差分析
实验前对所有Pt100在10~55℃范围内进行了标定,标定后温度测量误差小于0.5℃,实验中的最小温度为19℃,温度测量的最大不确定度为2.6%.加热电源的电流电压显示精度为±0.1%读数,实验中电流电压的最小值分别为1.5 A和100 V,则电流电压的最大不确定度分别为0.33%和0.25%,相应的加热功率的最大不确定度为0.41%.离心加速度值的控制精度为±5%.
2 实验结果与分析 2.1 布置方式A
图 4分别给出了不同加热功率时DCCLHP在地面重力场中达到稳定状态后再分别施加1g,3g,5g和7g加速度时各测温点温度随时间变化曲线,实验环境温度为23℃,冷却水温度为21℃.在加热功率为150W时,DCCLHP先在地面重力场中工作至稳定状态,再施加1g加速度,然后卸载;对于3g,5g,7g工况,重复上述过程,可以得到如图 4(a)所示的温度变化曲线.在200 W加热功率时,DCCLHP在重力场环境中工作至稳定状态后连续进行了1g和3g过载实验,然后再由重力场启动DCCLHP至稳定状态后进行了5g和7g实验,如图 4(b)所示.250 W和300 W加热功率时连续进行实验,过载加速度作用下温度变化规律相似.
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| 图 4 布置方式A不同加热功率和加速度下DCCLHP温度变化曲线Fig. 4 Temperature vs time at different heat power and elevated acceleration for DCCLHP in A arrangement |
由图 4(a)可以看出,在重力场环境中,150 W加热功率下DCCLHP工作至稳定状态所需时间为3 600 s,4次实验工作温度TC10在50.5~51.5℃,储液器1和2的温度分别为45.1~46.2℃和39~40℃.施加过载加速度后,蒸发器、蒸气管线、储液器温度均不断减小,尤其是储液器2,在施加过载后温度急剧降低,而液体管线出口TC12、冷凝器测点TC2温度几乎不变.
随着加速度的增大,蒸发器、蒸气管线、储液器温度降低的幅度逐渐减小,且在离心机规定的工作时间内,7g加速度时DCCLHP经过2 400 s达到稳定状态,TC10温度为46.5℃,相对于重力场时降低了5℃左右,而1g,3g,5g时DCCLHP未达到稳定状态.这表明在该布置方式下,过载加速度越大越有利于DCCLHP的稳定工作.
在200 W和250 W加热功率,1g,3g,5g过载时,DCCLHP未达到稳定状态,7g时DCCLHP经过1 200 s和900 s达到稳定状态,蒸发器温度分别为42.4℃和40.5℃,过载加速度作用使得蒸发器温度降低,加速度越大TC10温度降低幅度越小.
根据冷凝器测点TC2温度及其出口测点TC1温度可知,150，200，250 W时冷凝器出口液体工质为过冷状态,DCCLHP工作在可变热导区.因此在7g时,加热功率增大,冷凝器的有效利用率增大,运行温度降低.
在300 W时,1g,3g,5g和7g时DCCLHP均在较短时间内达到了稳定状态,所对应的工作温度分别为42.1,41.7,41.4和41.2℃,加速度对其影响较小.由于TC1已经超过33℃,这说明300 W时冷凝器已经全部被打开,DCCLHP工作在固定热导区.因此,7g时加热功率由250 W增大到300 W时,工作温度升高.
与其他功率不同的是,在地面重力场中冷凝器出口TC1、液体管线出口TC12温度出现了波动,而且在加速度作用初始阶段与卸载阶段温度波动更趋剧烈.其原因可能是:TC1出现波动是由工质充装量与储液器体积不匹配造成[16].在受加速度作用后,离心力作用使得冷凝器管道内管壁处的液膜厚度减小,冷凝换热系数增大,工质获得更多的冷量,因此TC2温度降低,回流工质的过冷度增加,TC1,TC12降低,回流液体工质对储液器2的冷却作用增强,因此TC11也降低.随着加速度的增大,冷凝器的冷凝效率也增大,回流工质的过冷度增大,相应的TC1,TC12,TC11的降低幅度增大.而在加速度卸载阶段,各点温度变化与初始阶段相反,各点温度会回升至地面重力场情况.
2.2 布置方式B
图 5分别给出了加热功率为150 W和250 W时DCCLHP在地面重力场启动并工作至稳定状态后再施加1g,3g,5g和7g加速度时各测点温度随时间变化曲线,实验环境温度为26℃,冷却水温度为21℃.200 W与300 W工况下DCCLHP各测点温度变化趋势与150 W和250 W时的相似,但TC1和TC12未出现波动.在地面重力场运行时,DCCLHP稳定工作温度在150 W时为47℃,250 W时为40.8℃.
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| 图 5 加热功率为150 W和250 W时DCCLHP 温度变化曲线Fig. 5 Temperature vs time at heat power 150W and 250W for DCCLHP |
在加热功率为150 W时,加速度作用后TC1,TC12略有升高,TC10,TC9和TC11均降低,经过约1 000 s后,运行至稳定状态,1g,3g,5g和7g时对应的稳定工作温度分别为34.1,34.9,35.5和37℃,即随着加速度的增大,DCCLHP稳定运行温度升高,但相对于地面重力场时其运行温度有较大降低.相对于其他加速度,7g时液体管线出口TC12出现较大幅度的温度波动现象.
在加热功率为250 W时,随着加速度的施加和卸载,TC1和TC12出现了较大幅度的温度波动,尤其在7g时,液体管线出口处温度一直处于波动状态.从地面重力场环境过度到加速度环境时,蒸发器、储液器1、蒸气管线温度逐渐减小至一恒定值,储液器2的温度则上升至一恒定值,不同加速度下DCCLHP稳定工作温度基本相同,约39.7℃,表现出与150 W功率时不同的变化规律.
与布置方式A不同的是,布置方式B不同加速度大小时DCCLHP运行均达到稳定状态.图 6给出了布置方式B时地面重力场和不同加速度、不同加热功率下DCCLHP稳态工作温度变化图.受环境和热沉温度的影响,稳态温度略有不同.
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| 图 6 加速度对DCCLHP稳态工作温度的影响Fig. 6 Steady state temperature vs heat load at elevated acceleration and gravity field for DCCLHP |
由图 6可以看出,在地面重力场中,加热功率小于250 W时,DCCLHP稳态工作温度随加热功率的增大而减小,两个储液器共同控制热管工作温度,DCCLHP工作在可变热导区.300 W时,冷凝器的冷凝面积被全部利用,DCCLHP工作在固定热导区,温度稳定在44.4℃左右.LHP存在典型的“V”型性能曲线.
在加速度场中,加热功率越小,其稳态工作温度相对于地面重力场时的差别越大,结合图 4和图 5的分析,DCCLHP达到稳态的时间越长.加热功率越大,加速度对DCCLHP稳态工作温度的影响越小,也即是在可变热导区,DCCLHP受加速度作用影响较为明显,而在固定热导区,过载加速度对DCCLHP工作性能影响较小.
2.3 两种布置方式对比
在布置方式A和B时,DCCLHP受加速度作用后表现出不同的工作性能.表 1和表 2给出了加热功率为200 W和300 W时DCCLHP在1g,3g,5g和7g作用下达到稳态工作的时间t、稳态工作温度Teg以及与地面重力场稳态工作温度Te的差值,可以看出,在加速度作用时,布置方式B相对于布置方式A更有利于DCCLHP快速达到稳定工作状态,且Teg<Te.两种加热功率时加速度对Teg影响较小,不过加速度越大,布置方式B达到稳态工作的时间会越长,而布置方式A达到稳态工作的时间差别不大.
| 加速度/g | Teg/℃ | (Te-Teg)/℃ | t/s | |||
| 布置方式A | 布置方式B | 布置方式A | 布置方式B | 布置方式A | 布置方式B | |
| 1 | - | 36.7 | - | 4.0 | - | 100 |
| 3 | - | 36.9 | - | 5.5 | - | 130 |
| 5 | - | 37.5 | - | 4.4 | - | 105 |
| 7 | 42.4 | 37.6 | 1.8 | 4.6 | 1 200 | 100 |
| 注：“-”表示该工况在实验时间内没有运行到稳定状态. | ||||||
| 加速度/g | Teg/℃ | (Te-Teg)/℃ | t/s | |||
| 布置方式A | 布置方式B | 布置方式A | 布置方式B | 布置方式A | 布置方式B | |
| 1 | 42.1 | 43.7 | 0.7 | 0.2 | 207 | 90 |
| 3 | 41.7 | 43.8 | 1.5 | 0.5 | 414 | 48 |
| 5 | 41.4 | 43.7 | 1.8 | 0.8 | 441 | 69 |
| 7 | 41.3 | 43.6 | 2.0 | 1.0 | 591 | 93 |
在可变热导区,加速度作用对DCCLHP工作性能影响的原因可以从图 7所示的两种布置方式下储液器1和2内气液界面分布进行解释.DCCLHP由重力场过渡到加速度场,在布置方式A时,加速度ar产生的离心力破坏了储液器内的热力平衡,由于液体干道、储液器1和储液器2的连通,液态工质更多地聚集在储液器2中,且气液界面呈如图 7(a)所示状态,这种气液分布有利于减小蒸发器向储液器的漏热,同时回流过冷液体更易于流向储液器2,使得TC11有较大的降低,因此蒸发器TC10温度降低.
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| 图 7 布置方式A和B储液器内气液界面分布Fig. 7 Vapor/liquid distributions in the compensation chamber at location A and B |
在布置方式B时,加速度作用使得液态工质更易于积聚在储液器1中,回流过冷液体也更易于流向储液器1,而储液器2因液体引管穿过,可以获得部分过冷量,因此,两个储液器的温度都降低.
在固定热导区,储液器内几乎完全被液态工质占据,影响DCCLHP工作温度的主要是冷凝器,而加速度对冷凝器冷凝换热是有利的,一定范围内加速度越大,冷凝换热效率越高,相应的回流液体过冷量增大,这使得蒸发器内蒸发温度降低,工作温度降低,不过降低幅度不大.
3 结 论
通过实验研究了在重力场稳定运行的DCCLHP在受到过载加速度作用后的工作特性,主要得到如下结论:
1) DCCLHP在7g加速度时可以达到稳定工作状态,相对于重力场运行温度,加速度作用后DCCLHP运行温度降低.
2) 在可变热导区,加速度对DCCLHP运行温度影响较大,相对于重力场运行温度,加速度越大,其运行温度降低幅度越小;在固定热导区,加速度对DCCLHP运行温度影响较小,其运行温度略小于重力场运行温度.
3) 布置方式对DCCLHP有较大影响,布置方式B相对于布置方式A更有利于DCCLHP运行至稳定状态,达到稳定状态所需时间更短.
4) 在加速度施加和卸载过程中,观察到了DCCLHP运行温度的峰值现象,以及冷凝器出口和液体管线出口温度大幅波动的现象.
由于DCCLHP本身运行机理较为复杂,加速度作用对DCCLHP运行特性的影响机理还有待进一步研究.
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