2024, Vol. 41 
2. 中国科学院大学工程科学学院先进热管理技术实验室，北京 100049
2. Laboratory of Advanced Thermal Management Technologies, School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
近年来，数据中心(data centers, DCs)的快速发展带来了严峻的能源消耗问题[1]，根据相关组织预测，到2025年全球范围内数据中心的用电量将占据全球总耗电量的20% [2]，而数据中心用于冷却的能耗则又大约占据了数据中心总能耗的40% [3]。显然，居高不下的冷却功耗已然成为制约数据中心快速发展的突出问题，因此迫切需要发展新的冷却技术以应对数据中心的散热挑战。
环路热管(loop heat pipe, LHP)是一种被动式两相传热元器件，它拥有布置灵活、结构紧凑、传热距离长以及热阻低等优点[4-5]，在应对数据中心的服务器冷却方面具有巨大潜力。作为一种具备高效传热能力的间接式液冷装置，LHP于1974年被首次提出并用于应对航空航天领域的热管理工作[6-7]，而后又被广泛应用于电子设备的散热[8-9]以及太阳能热利用等领域[10]。为应对电子设备日益增长的高热流密度散热需求，许多学者致力于大功率LHP的研究工作。Vasiliev等[11]开发了一种用于大功率IGBT冷却的新型水冷式LHP，实验结果显示其最大散热量可达900 W，并且在研究中验证了一些关键参数如蒸发器温度、冷凝器温度等对LHP运行性能的影响。Chernysheva等[11]设计了一种适用于超级计算机冷却的铜-水型LHP，该LHP可以在20~600 W的热负荷范围内工作，并提出相关的数学模型来预测LHP的运行温度。此外，一些学者还探讨了重力对LHP性能的影响。Bai等[12]建立了LHP在重力辅助模式下运行的稳态数学模型，基于此模型对实验结果进行预测，并确定了LHP在重力辅助模式下所表现出的一些显著特征。Kazuya等[13]设计一款能够在水平和逆重力条件下工作的长距离LHP并展示了相关的测试结果，这项研究中的LHP在水平工况下的最大传热量可达340 W，并成功实现了逆重力条件下的运行。
但是目前文献中所提及的大功率LHP在冷凝器一侧多采用液冷方式，这就造成了LHP的结构臃肿，应用场景受到较大的限制，并且在运行过程中需要消耗很大的泵功，降低了LHP的使用经济性；其次，在重力场下运行的LHP，由于液态工质受到重力作用的影响，因而LHP在不同的重力模式下表现出不同的传热特性。特别是对于大功率LHP来说，其性能受重力作用的影响尤为明显；此外，在LHP的实际运行过程中，部分施加到蒸发器的热量会不可避免地从蒸发器传递到补偿腔甚至是液体管线，这种现象被称为LHP的漏热[14-15]。漏热会对LHP的运行产生不利影响[16]，特别是当LHP在不利倾角下工作时，漏热效应将与重力相互作用从而使LHP的传热性能恶化。
重力影响LHP性能的关键在于不同模式下对液体的作用力不同。为解决不利倾角下重力影响液体回流的问题，本文提出两种方法：一种是在回液管中内置毛细芯材料，利用回液管与毛细芯对液体的协同输运作用[17]，提高液体回流到蒸发器的速度，从而改善LHP在不利倾角下的传热性能；另外一种则是缓和漏热所带来的负面影响，从而减小液体回流到蒸发器的阻力。基于以上观点，本文提出一种新型的空气冷却式大功率LHP并制作了相关的实验件原型，通过大量的对比实验，研究了不同重力模式下大功率LHP的传热特性，对LHP的实际应用具有重要的参考意义。
1 实验件及实验方法 1.1 实验件在本项研究中，一共制作了4种不同结构的LHP，如图 1(a)~1(d)所示。为方便表述，在下文中将它们分别记作1# LHP、2# LHP、3# LHP和4# LHP。实验中所用到的LHP均包含蒸发器、冷凝器、蒸汽管线和液体管线等主要部件。另外在本次实验中烧结了2种不同孔隙的毛细芯：一种是以250目铜丝网烧结的主毛细芯; 另一种则是以100目铜丝网烧结的尾芯。在图 1所示的4种LHP中：1# LHP和2# LHP仅在蒸发器的内部腔体中烧结主毛细芯结构; 3# LHP和4# LHP则使用梯度毛细结构，即在蒸发器中使用小孔径的主毛细芯提供较强的毛细驱动力，而在液体管路中使用大孔径的尾芯辅助液体回流，其中尾芯与主毛细芯烧结在一起并贯通整个液体回路。梯度毛细芯的使用可以使LHP在获得足够毛细力的同时又不至于产生过大的流动压降。图 1给出每个LHP的液体管线截面。此外，在2# LHP和4# LHP的蒸发器入口处还各增加了一组小型辅助散热装置，如图 1(b)和1(d)所示。上述4种不同结构LHP的充液率均设置为42%，实验件的各项具体参数在表 1中详细列出，此处不再赘述。
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| 图 1 LHP结构图 Fig. 1 The structural diagram of LHPs | |
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表 1 LHP主要部件的具体参数 Table 1 The specific parameters of the main components of the LHP |
图 2给出蒸发器与毛细芯的装配结构图并对相关尺寸进行了标注。主毛细芯通过烧结的方式与蒸发器的上下盖板结合在一起，并与蒸发器的上下盖板共同组成15条矩形蒸汽流动槽道，每条蒸汽槽道的尺寸为52 mm(L)×2 mm(W)×9 mm(H)。尾芯则通过主毛细芯上的楔形卡口结构与主毛细芯烧结在一起。需要指出的是，为使LHP的结构更加紧凑以增强其适用性，本文中的LHP取消了传统的补偿腔结构，即蒸发器入口直接与液体管线连接。
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| 图 2 蒸发器与毛细芯装配结构图 Fig. 2 The structural diagram of evaporator and capillary wick assembly | |
整个实验系统可分为电源系统、LHP实验件及数据采集系统3个部分，如图 3(a)所示。在本次实验中，使用Omega T型热电偶对温度信号进行采集，并结合Agilent 34970A型数据采集仪对采集到的温度信号进行记录和处理，温度信号的采集时间间隔设置为3 s。Omega T型热电偶的具体布置方位如图 3(b)所示: 取该两点温度平均值θe，其中热电偶#213和#214用于测量蒸发器的温度，#211和#202分别测量蒸发器的进出口温度，#203和#206分别测量蒸汽管线温度和液体管线温度; 在冷凝段区域一共布置了4根热电偶，分别是#204、#205、#216和#217该4点温度平均值记为θcm。在加热块表面深度为1 mm的凹槽内布置了1根热电偶#201，该热电偶用于测量结温θj，即热源温度。此外，还有1根热电偶#101用于测量环境温度θa。Fluke Ti32型红外成像仪则用于拍摄LHP的稳态温度分布红外图。为探究重力对大功率LHP传热性能的影响，根据LHP轴线与水平线夹角的不同，在实验中共设置6种倾斜角度，如图 4所示。其中4(a)~4(c)均为重力辅助模式，此时的冷凝器位置高于蒸发器位置；4(d)中冷凝器与蒸发器位于同一水平高度；而4(e)和4(f)中的冷凝器位置则要低于蒸发器位置。
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| 图 3 实验系统及热电偶布置图 Fig. 3 Experimental system and thermocouple layout | |
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| 图 4 测试方向示意图 Fig. 4 The schematic diagrams of test orientations | |
图 5给出4种LHP在φ=90°、加热功率为450 W时的启动过程。从图中可以看出，4种LHP的启动过程都十分迅速，其蒸汽管线温度(θ203)、冷凝器入口温度(θ204)几乎都随结温(θ201)同步增长，这表明当热负荷加载到蒸发器，毛细芯表面的工质便开始发生汽化并有大量的蒸汽在蒸汽槽道内聚集，当蒸汽压力累积到一定程度时，工质在蒸汽压力的推动下经蒸汽管线进入冷凝器，同时过热蒸汽也经由冷凝器向外释放热量，而后在毛细力的驱动下，冷凝液体回到蒸发器，当毛细芯两侧建立稳定的压差时，系统达到平衡状态，各点温度也趋于稳定。图 5还反映了各个LHP建立稳态的时间差异，其中1# LHP和2# LHP建立稳态的时间大约为300 s，而3# LHP和4# LHP则大约使用了200 s的时间完成启动过程。此外，在辅助散热翅片的强制风冷下，2# LHP和4# LHP在达到稳态时的蒸发器入口温度(θ211)明显降低，如图 5(b)和5(d)所示，该温度的降低有利于在蒸发器的出口和入口之间形成足够的温差，从而使系统的运行温度得到降低。
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| 图 5 不同LHP在φ= 90°、热负荷为450 W时的启动过程 Fig. 5 The start-up process of different LHPs at φ= 90° and heat load of 450 W | |
系统的姿态会对LHP的启动过程产生很大的影响，当热负荷保持不变，实验的倾斜角减小为30°时，4根LHP的启动过程如图 6所示。从图中可以看出1# LHP和2# LHP在达到稳态时伴随着较为剧烈的温度脉动现象，这与3# LHP和4# LHP形成鲜明对比。1# LHP和2# LHP的温度脉动现象是多种因素共同作用的结果，经分析可能存在以下几点原因：1)在30°倾角下重力辅助液体回流的作用有限，此时冷凝后的液体回流到蒸发器的速度较慢；2)由于铜基体的导热系数较高，导致系统的轴向漏热较为严重，蒸发器入口的工质在漏热的影响下具有较高的温度及饱和压力；3)由于冷凝的不均匀性以及漏热的存在，在液体管线中出现汽-液分界面，该汽-液分界面的存在增加了液体的回流阻力，同时也导致蒸发器的供液出现间歇性。从实验结果来看，蒸发器的间歇性供液可能是导致系统出现温度脉动的最直接原因。而3# LHP和4# LHP由于在液体管线中增加了尾芯结构，提供了额外的毛细驱动力，该毛细力加速了冷凝液体回流到蒸发器的速度，在一定程度上缓解了漏热造成的负面影响。此外，尾芯结构也有助于遏制汽-液分界面的形成，因此3# LHP和4# LHP的运行更加稳定。
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| 图 6 不同LHP在φ= 30°、热负荷为450 W时的启动过程 Fig. 6 The start-up process of different LHPs at φ= 30° and heat load of 450 W | |
图 7给出4种结构的LHP在不同热负荷下的稳态结温。从图中可以看出，随着热负荷的增加，LHP的稳态结温也有相应增加。需要特别说明的是，对于绝大多数CPU芯片来说，通常要求其封装温度不超过85 ℃，而大功率LED灯和IGBT模块作为2种高热流密度电子设备也同样需要LHP进行冷却，它们的允许工作温度范围通常在115~120 ℃，因此本文中LHP的结温均控制在120 ℃以下。
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| 图 7 4根LHP在不同倾斜角下的结温随热负荷变化曲线图 Fig. 7 The junction temperature of four LHPs versus heat load diagrams under different tilt angles | |
图 7(a)展示了1# LHP在不同倾角下的稳态结温随热负荷变化曲线图。当φ=90°时，施加到1# LHP的热负荷从50~650 W不等，其结温变化范围为47.7~114 ℃。重力对1# LHP的传热性能影响非常显著，对比图 7(a)中φ=90°和φ=30°两条曲线可发现：在相同的热负荷下，1# LHP在30°倾角时的结温平均上升6~11 ℃; 而当φ=0°时，由于缺乏重力的辅助，1# LHP的性能迅速恶化，在100 W的热负荷下其稳态结温就达到了106 ℃。
图 7(b)则展示了2# LHP的热负荷测试结果，如图所示，当φ=90°时，在安全温度范围内2# LHP的最大散热量为750 W。另外从图中可看出，虽然2# LHP的传热性能也受到了重力变化的影响，但是相较于1# LHP，2# LHP在各倾角下的传热能力均有不同程度的提升。特别是在水平工况下，2# LHP在热负荷为200 W时的稳态结温仅为107.9 ℃，其散热性能远远优于1# LHP。
3# LHP在不同倾角下结温随热负荷变化曲线如图 7(c)所示。在加入尾芯结构后，3# LHP在不同工况下的传热能力相较于1# LHP和2# LHP都有较为明显的提升。重力辅助模式下，3# LHP在90°、60°、30°这3个不同倾角下的最大散热量均为850 W，稳态结温分别为111.6、113.8、117.6 ℃。水平工况下，3# LHP的最大散热量达到550 W，在此热负荷下的稳态结温为119 ℃。
图 7(d)给出4# LHP在不同模式下的结温随热负荷变化曲线。4# LHP在φ=90°时的最大散热量达到950 W，此后随着重力辅助作用的减弱，其传热性能稍有下降，在水平工况下其最大散热量为550 W。另外需要特别指出的是，在本文所提出的4种不同结构的LHP中，仅4# LHP成功实现了逆重力模型下的运行，其在-30°和-60°倾角下的最大散热量分别达到150和100 W。对比3# LHP和4# LHP的实验结果可以发现，尽管同样具有尾芯结构，而3# LHP却无法在逆重力模式下运行，这是由于系统的轴向漏热造成蒸发器入口处的工质具有较高的温度和压力，而此时重力又与液体回流的方向相反，在此二者的共同影响下，导致蒸发器供液不足，最终烧干。4# LHP由于在蒸发器入口处增加了辅助散热装置，缓和了漏热所带来的负面影响，因而能够在逆重力模式下成功运行。
3 传热特性分析作为衡量LHP传热性能的重要指标，本文中LHP的系统总热阻可由下式计算得出
| $ \begin{equation*} R_{\mathrm{t}}=\frac{\theta_{\mathrm{j}}-\theta_{\mathrm{a}}}{Q} , \end{equation*} $ | (1) |
其中：Rt表示系统总热阻，θj表示结点温度，θa表示环境温度，Q表示施加的热负荷。
在不同倾角下，根据公式(1)所计算出的LHP系统总热阻随热负荷变化曲线汇总于图 8中。从图中可以看出，随着热负荷的增加，系统总热阻迅速减小；而在低热负荷区域，4种不同结构的LHP都具有很大的系统总热阻。这与LHP的运行机制有关，当热量施加到蒸发器时，工质发生相变产生蒸汽，蒸汽经过冷凝器后变为过冷液体，随后液态工质在毛细力的作用下回到蒸发器。但是当热负荷较小时，蒸发器中的工质不能完全汽化，因而在蒸汽管线中水蒸气裹挟着部分液态工质运动。由于蒸汽管线中存在两相区，蒸发器芯部的外表面并没有清晰的汽-液分界面[10]，因此毛细芯提供的毛细驱动力不足，液体回流速度较慢，从而使系统具有较大的总热阻。
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| 图 8 4根LHP在不同倾斜角下的系统总热阻 Fig. 8 The total thermal resistance of four LHPs under different tilt angles | |
从图 8可以看出，在φ=90°的测试条件下，3# LHP和4# LHP分别获得0.11和0.10 ℃/W的最小系统总热阻。而1# LHP和2# LHP的最小系统总热阻分别为0.14和0.13 ℃/W。随着倾角φ的减小，4根LHP的系统总热阻均有不同程度的增长，其中1# LHP的总热阻增长幅度最为明显。在50 W的热负荷下，当倾斜角从90°变为0°时，1# LHP和2# LHP的系统总热阻分别增长59.5% 和43.4%，而3# LHP和4# LHP的系统总热阻则分别增长41.4% 和19.1%。在水平工况下，4根LHP的系统总热阻也展现了巨大差异，在相同的热负荷下，4根LHP的系统总热阻大小关系为1# LHP＞2# LHP＞3# LHP＞4# LHP。另外从图 8(d)也可以看出在逆重力模式下4# LHP的总热阻显著增加，在-30°倾角下其总热阻变化范围为0.54~0.82 ℃/W；在-60°倾角下4# LHP的最小总热阻为0.61 ℃/W，最大总热阻为0.79 ℃/W。
实验结果表明，重力会对LHP的传热性能产生显著影响，其具体的作用机制可以从两方面来解释：1)在重力辅助模式下，重力及其分力的方向与冷凝液体回流到蒸发器的方向相同，此时重力可以为液体回流提供一部分驱动力，在重力及毛细力的共同作用下LHP达到最好的传热性能；2)LHP的轴向漏热会导致蒸发器入口处的工质具有较高的温度和压力，这种情况下LHP只能通过提高运行温度的方式使毛细芯两侧具备足够的压差从而维持系统的稳定运行，这样一来系统的热阻也将增加；而重力的辅助作用则加速了过冷液体回流到蒸发器的速度，该部分过冷液体与蒸发器入口的工质混合后能够使其温度得到降低，从而缓和漏热造成的影响。
基于以上分析不难理解，当重力减弱时，系统除损失一部分驱动力以外，漏热的影响也将逐渐凸显。特别是在水平工况下，由于完全缺乏重力的辅助作用，此时漏热对LHP性能的影响将占据主导地位。
针对以上问题，本文提出2种LHP的结构改进方法：一种方法是在回液管中增加尾芯结构，该尾芯结构不仅能为系统提供额外的毛细驱动力，还能够使过冷液体快速回流到蒸发器从而缓和漏热对系统的影响，此外，该尾芯结构还有利于遏制液体管线中汽-液分界面的形成并提高系统的运行稳定性; 另一种方法则是通过辅助散热翅片直接对蒸发器入口处的工质进行冷却，通过这种方式降低回流液体的温度并缓和漏热造成的影响。这2种方法的有效性都已通过实验得到证实，当热负荷为50 W且系统在无重力辅助工况下运行时，较之1# LHP，增加了尾芯结构的3# LHP其系统总热阻降低56.4%，而增加了辅助散热翅片的2# LHP其系统总热阻降低30.5%。此外实验结果还表明，随着逆重力倾角的增加，漏热对系统的影响将更加严重，此时需要通过以上2种方法的共同作用才能实现LHP在逆重力模式下的运行。
4 结论本文通过大量的对比实验较为系统地研究了重力及漏热对新型大功率LHP传热性能的影响。通过对实验现象的描述，并结合对实验结果的分析可以得出如下结论：
1) 在本文所制作的4种不同结构LHP中，4# LHP具有最好的传热性能，在重力辅助模式下其最大传热能力可以达到950 W，系统总热阻低至0.1 ℃/W, 并且成功实现了逆重力模式下的运行。此外，3# LHP和4# LHP都表现出较强的应对重力变化的能力。
2) 漏热对LHP的传热性能具有较强的负面影响，特别是当LHP在不利倾角下工作时，漏热会与重力相互作用从而极大地降低LHP的传热能力并增加其运行的不稳定性。通过缓解漏热所带来的负面影响，可以在一定程度上改善LHP的传热性能。
3) 对于大功率LHP来说，重力变化对其性能影响很大。本文所提出的梯度毛细结构，即在液体管线中增加尾芯，能够提高LHP在不利倾角下的液体回流速度，在提升大功率LHP传热性能的同时进一步增加其运行的稳定性，是一种有效的应对重力变化的方法。
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