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特斯拉阀通道结构毛细芯对环路热管启动性能的影响
胡卓焕，丁效誉，许佳寅
上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093
引用本文
胡卓焕, 丁效誉, 许佳寅. 特斯拉阀通道结构毛细芯对环路热管启动性能的影响[J]. 化工进展, 2024, 43(11): 6031-6038.
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1731
摘要
受制于3D打印技术的制造精度，其制备的可用毛细芯孔径约为300µm。基于该毛细芯的环路热管（loop heat pipe，LHP）启动初期会产生蒸汽反向穿透毛细芯的现象，造成严重的热泄漏，对LHP的启动性能产生极大的消极影响。为了解决这个问题，本文开创性地将具有单向流动特性的特斯拉阀结构引入3D打印毛细芯中，设计制备了孔径为300μm的特斯拉阀通道结构毛细芯，并与相同孔径的圆柱直通孔毛细芯分别进行了渗透率以及在不同低功率（20W、40W、60W）下启动性能的对比。结果表明：3D打印特斯拉阀毛细芯具有明显的单向流动特征。其渗透率在流动方向上存在明显的差异，正向流动渗透率大于反向流动的渗透率；特斯拉阀毛细芯在不同功率下均能有效抑制蒸汽穿透，实现更快的启动；随着启动功率的增加，LHP的启动速度更快，特斯拉阀毛细芯对蒸汽穿透的抑制效果更明显，启动性能更好。
环路热管（loop heat pipe，LHP）是基于传统热管散热器衍生而来的一种高效换热元件，由Gerasimov等于20世纪70年代首次提出。相比于传统的散热方式，LHP具有更好的传热性能和更高的节能效果。如今，LHP已广泛应用在化工领域，如余热回收、航空航天、电子设备散热等。
毛细芯作为LHP的核心元件，也是众多学者研究的重点。传统的毛细芯大部分采用金属粉末烧结的方法制备。如Deng等发现烧结铜芯比烧结镍毛细芯具有更大的渗透率和毛细力。胡卓焕等利用不同颗粒直径铜粉烧结了双层毛细芯，发现这种结构的毛细芯对减少热泄漏有一定的效果。Zhao等通过控制烧结粉末或成孔剂的粒度，获得了双孔烧结芯。然而，采用粉末烧结制备的毛细芯存在内部多孔结构具有随机性的缺点，这会增强毛细芯内的流体热行为的不均匀性。此外，浇注、编织等方法所制备出的毛细芯仍会存在上述缺点。随着3D打印技术的兴起，此类问题也逐渐得到解决。Jafari等将3D选择性激光融化（selective laser melting，SLM）技术引入到LHP毛细芯制备中，并且发现与传统的烧结粉末、网状和复合毛细芯相比，所设计的3D打印毛细芯提高了毛细性能。Hu等借助3D打印技术，制备了所有孔相互连接有序的不锈钢毛细芯并将其应用在平板式蒸发器的LHP中，结果发现LHP在100s左右能成功启动，在20~160W的热负荷下可稳定运行。胡卓焕等对搭载双层复合金属3D打印毛细芯的环路热管进行了实验研究，发现吸液层和蒸发层的孔径配比对LHP有显著影响。
启动过程是LHP实际应用中一个重要问题。研究发现，在热负荷较低时LHP的启动较慢。Huang等根据热负荷将LHP的启动现象分为四种模式：故障模式、振荡模式、超调模式和一般模式。Xu等对采用小孔径烧结铜粉毛细芯的平板型LHP进行可视化实验研究时发现，蒸汽穿透毛细芯会影响LHP的启动性能。然而，通过3D打印方式制备的毛细芯孔径较大，在LHP启动初期很可能存在蒸汽穿透毛细芯造成热泄漏，导致LHP启动缓慢甚至启动失败。因此，本文将具有单向流动特性的特斯拉阀结构引入到3D打印毛细芯中以达到抑制蒸汽热泄漏的目的。
特斯拉阀是一种几何形状固定的被动式单向阀，最早由尼古拉·特斯拉提出。该阀门内部没有任何活动部件，可靠性较高，在微流控领域获得了广泛关注及应用。Qian等采用数值模拟的研究方法得出流体正向流动时可以减少压降损失的结果。De Vries等将特斯拉阀结构应用在脉动热管中，结果发现，特斯拉阀的应用降低了脉动热管的热阻并提高其传热性能。
相对于常规方法制备的毛细芯，3D打印技术能够控制毛细芯内部通道的形状，并且消除微孔内部结构随机性的问题。但受制于目前3D打印的精度，毛细芯的孔径偏大（200~300μm），导致启动初期易产生蒸汽穿透毛细芯的现象。为了抑制蒸汽穿透毛细芯，本文将具有单向流动特性的特斯拉阀结构引入到3D打印毛细芯中，并与搭载圆柱直通孔毛细芯的LHP进行不同功率下的启动性能对比。利用渗透率测量及LHP启动性能实验，研究3D打印特斯拉阀毛细芯抑制蒸汽穿透的原理。
1
3D打印毛细芯的开发
1.1
毛细芯的设计
为了改善大孔径3D打印毛细芯存在的蒸汽穿透毛细芯的现象，本文将具有单向流动特点的特斯拉阀流道引入到多孔毛细芯中，设计出了特斯拉阀毛细芯。由于毛细芯内部结构的复杂性，采用传统的粉末冶金制造方法很难实现。本文采用SLM技术来制备所设计的毛细芯。制备过程如下：首先将毛细芯模型文件导入到金属3D打印机中，机器会识别毛细芯的每层表面并自动将金属粉末均匀分布在制造床的表面上。然后激光束扫描器将激光束聚焦在粉末层的对应位置上，激光束照射到金属粉末上，使其熔化并与前一层粉末相融合。随着激光束的移动，粉末逐渐凝固形成实体构件。图1为两种毛细芯的实物图及局部剖视图，两种毛细芯的孔径均为300μm。
图1 两种不同类型的3D打印毛细芯
每种毛细芯都呈扁平圆柱状，直径为30mm，厚度为5mm。从图1(a)的剖视图可以看出，圆柱直通孔毛细芯内部均匀分布着孔径为0.3mm的圆柱形直通孔，每个相邻直通孔在x和y方向上的间距均为0.4mm。直通孔仅在毛细芯轴向连通，径向不连通。图1(b)为3D打印特斯拉阀毛细芯，毛细芯内部的特斯拉阀流道呈阵列分布。在x和y方向上的阵列间距分别为1.35mm和0.4mm。图2展示了特斯拉阀毛细芯内部单个特斯拉阀流道。本文所设计的特斯拉阀流道主要由斜管段和弯管段组成，整个特斯拉阀所占高度H=5mm，阀门夹角α=60°，通道外圆弧的半径R=0.47mm，孔径D=0.3mm，两个阀门单元通道间的距离L=1.16mm。每个特斯拉阀流道只连通蒸发区和储液区，在毛细芯内部均匀排列，互不连通。根据特斯拉阀的流动特点，流体从上到下为正向流动，相反，从下到上则为反向流动。
图2 特斯拉阀流道（单位：mm）
1.2
毛细芯参数的表征
毛细芯的孔隙率、有效热导率和渗透率是影响LHP传热性能的重要参数。毛细芯的孔隙率ε定义为毛细芯孔隙的体积占毛细芯总体积的百分比，计算如式(1)。
毛细芯的有效热导率是影响毛细芯蒸发速率和热泄漏现象的重要参数，毛细芯的导热能力可用有效热导率ke表示。对于均质结构的毛细芯，其数值主要取决于制造材料的热导率、冷却介质的热导率以及毛细芯孔隙率，计算如式(2)。
式中，ke为毛细芯的有效热导率，W/(m·K)；kl和kw分别为去离子水和不锈钢材料毛细芯的热导率，取kl=0.683W/(m·K)，kw=16.2W/(m·K)；α为经验参数，α=0.59；ε为毛细芯的孔隙率，%。
此外，本文使用热导率测试仪在干燥的条件下对毛细芯进行热导率的测量，结果见表1实测热导率。
表1 毛细芯的结构参数
毛细芯输送工质的能力可用渗透率K表示，其通常用达西定律来描述，即每单位长度L多孔介质的压降∆p与有效流体速度v、动力黏度µ成正比，与渗透率K成反比，如式(3)。
其中，有效流体速度v根据式(4)计算。
式中，n为齿轮泵的转速，r/min；ρ为工质的密度，kg/m3；A为毛细芯过水面的面积，m2。
表1为毛细芯的孔隙率和有效热导率。需要说明的是，特斯拉阀毛细芯的孔隙率较低，原因是毛细芯内部结构的特殊性导致每相邻的特斯拉阀流道间存在大部分的实体。因此，特斯拉阀毛细芯的孔隙率偏低，且有效热导率较高。
对于毛细芯的抽吸性能，本文将0.5mL的去离子水滴在毛细芯的表面，通过液体浸入毛细芯的时间可以判断毛细芯抽吸性能的强弱。从图3可以得出，直通孔型毛细芯的抽吸性强于特斯拉阀毛细芯。液体完全浸入毛细芯的时间分别为5.2s和12.8s。
图3 毛细芯抽吸性能表征
2
毛细芯渗透率的测量
2.1
渗透率测量平台
渗透率测量系统如图4所示，包括精密磁力齿轮泵、压差传感器、烧杯、透明测试段和若干管线。其中，齿轮泵能精准提供所需的质量流量。毛细芯置于测试段中间，毛细芯周围用密封垫圈密封，确保水只能从毛细芯内部流过。烧杯中储水，保证在实验中液体工质的连续供应。管线将各个部件相连，齿轮泵抽取烧杯中的液体工质供应至测试段，经过毛细芯，最后回流至烧杯中，形成循环通路。期间，因为毛细芯对流体的阻力，在毛细芯两端会产生压差。
图4 渗透率测量系统
2.2
渗透率计算方法
渗透率测量实验是在环境温度20℃±1℃、1个标准大气压下进行，工质为去离子水。在实验开始前，先将毛细芯置于超声波清洗机中清洗，除去毛细芯内部的粉尘等杂质。清洗完成后，用垫圈包裹住毛细芯，将其安装在两个透明塑料外壳之间并用螺栓固定。用管线将各个部件连通，并在烧杯中注入适量的去离子水。安装完成后，打开齿轮泵，将其缓慢调节至较高转速。一方面，高转速情况下毛细芯两端的压差较大，可以检验装置的密封性；另一方面，高转速可以有效去除毛细芯内部的气体，减少气体对实验结果的影响。当外壳内完全充满液体时停止运行齿轮泵，等待压差传感器示数归零，开始渗透率的测量。本实验通过调节齿轮泵的转速来改变工质通过毛细芯的流速，从而获得对应的渗透率。每组实验重复3次，取平均值。
3
启动性能测试
3.1
LHP实验系统
本文采用平板型LHP测试3D打印毛细芯的启动性能。LHP系统如图5(a)所示。冷凝器为翅片式冷凝器，材料为铜，下方固定风扇对冷凝器中的工质进行冷却。蒸汽管道材料为聚四氟乙烯，液体管道材料为不锈钢。在LHP系统中，最核心的部件是蒸发器，其安装如图5(b)所示。加热底座材料为黄铜，凸台上部有6个横截面积为2mm×3mm的蒸汽槽道。在加热底座传热面底部直径为36mm处有4个对称测温点，测温孔径为1.6mm，深度为3mm，用于插入4个铂电阻，分别测量加热底座壁面上的温度。4个测温点分别为Tew1、Tew2、Tew3和Tew4。此外，还包括蒸发器出口的温度Teo，冷凝器进出口的温度Tci、Tco和环境温度Ta，如图5(a)、(b)所示，铂电阻的温度测量误差为±0.1℃。加热底座底部有3个加热孔用于插入3根加热棒对LHP进行等功率加热。蒸发器外壳材料为聚碳酸酯，加热底座与蒸发器外壳由4个螺栓连接，并用O形垫圈密封。毛细芯在蒸发器的中间，毛细芯上表面与蒸发器外壳组成储液槽，下表面与加热面组成蒸发区。防泄漏垫圈的作用是防止蒸发区的蒸汽从毛细芯的侧面进入到储液槽中。实验中，将LHP置于恒温箱中，保持环境温度Ta在20℃±1℃。采用去离子水为工质，为了防止热量散失，加热底座和蒸发器出口处用保温棉裹住。
图5 LHP系统及蒸发器安装
辅助系统包括充液系统和数据采集系统。充液系统包括加热器、储液罐、烧杯、滴定管和真空泵。加热器给储液罐施加热量，去除工质中的不凝性气体。经真空泵工作后，整个系统将处于真空状态。
3.2
实验流程
实验开始前，需要将毛细芯放入超声波清洗机中清洗，除掉毛细芯中未熔融的粉末等杂质。将清洗好的毛细芯装入LHP中并使其密封。接着打开真空泵，使LHP中的真空度达到实验所需要的要求。将煮沸的去离子水注入滴定管中，冷却至20℃左右后按照50%的充液率注入蒸发器中，完成LHP的充液。
开启恒温箱将环境温度控制在20℃±1℃，然后打开冷凝器下方的风扇、直流电源、数据采集器及计算机，等待实验开始。在直流电源上设置启动功率后，等待LHP的启动。观察LHP系统内各个温度变化情况，如果蒸发器出口温度Teo上升说明蒸发器内有蒸汽产生，若冷凝器进口温度Tci上升，说明蒸汽通过蒸汽管道进入冷凝器中。最后观察冷凝器出口的温度Tco，如果Tco温度开始明显攀升，表明蒸汽已到达冷凝器出口，即工质顺利完成循环，标志着LHP启动成功。本实验仅对LHP启动性能进行研究，对两种毛细芯分别在20W、40W和60W进行启动实验，共计6组实验。
4
结果与讨论
4.1
渗透率结果分析
特期拉毛细芯渗透率的测量结果见图6。从图6中可知，在质量流量较小的时候，毛细芯渗透率的值基本恒定不变，随着流量的增加，渗透率也不断降低，这与文献中的趋势一致。毛细芯的渗透率测试结果见表2。
图6 特斯拉阀毛细芯渗透率的测量结果
表2 不同毛细芯的渗透率
从图6及表2中得出，特斯拉阀毛细芯的渗透率在流动方向上存在明显的差异。正向流动的特斯拉阀毛细芯的渗透率大于反向流动的渗透率。其原因如下：对于单个特斯拉阀流道，由于其单向性，在相同质量流量下，流体在特斯拉阀流道中正向流动的阻力较小，而反向流动的阻力较大。这样就会使正向和反向的进出口产生不同的压差，且反向的压差较大。对于整个毛细芯中的流道结构，是由多个特斯拉阀流道串联排布组成，就具有了单向流动的特点。因此，工质在毛细芯内的流动方向会影响特斯拉阀毛细芯的渗透率的大小。而对于圆柱直通孔毛细芯，内部多孔结构均为对称结构。无论工质在毛细芯内的流动方向如何，其测量结果均没有明显差异。另外，圆柱直通孔毛细芯内部流动阻力较小。因此毛细芯两端的压降偏小，所得的渗透率较大，这也是其在LHP运行时蒸汽热泄漏的重要原因之一。
4.2
启动性能
为了研究特斯拉阀毛细芯在不同启动功率下对蒸汽抑制的效果，将两种毛细芯分别装入LHP中进行启动实验测试。由于工质在特斯拉阀毛细芯内的流动方向对渗透率有明显影响，将特斯拉阀毛细芯正向放置，即储液区的液体以正向的方式流入到蒸发区中，而蒸发区的蒸汽进入储液区的方式为反向。下面分别对两种毛细芯的LHP启动性能进行分析。
图7为不同启动功率下两种类型毛细芯的LHP启动图。从图中可知，两种毛细芯在20W、40W和60W功率下均能平稳启动。表3为两种毛细芯在不同启动功率下的启动性能参数。由表3可知，两种毛细芯在相同的启动功率下，蒸发形成的时间差别不明显，特斯拉阀毛细芯在20W启动功率下的蒸发形成时间略长于圆柱直通孔毛细芯。原因是圆柱直通孔毛细芯的渗透率大于特斯拉阀毛细芯，在启动初期，更多的工质输送到蒸发区，因此蒸发形成较快。搭载两种毛细芯的LHP随启动功率增加，LHP的启动时间也逐渐缩短。原因是功率增大会使蒸发加快，蒸发区内能快速达到循环所需要的压力，因此启动时间会相应缩短。
图7 不同功率下的LHP启动图
表3 毛细芯的启动参数
对于启动速度的比较，特斯拉阀毛细芯在每个功率下的启动时间均比圆柱直通孔毛细芯的启动时间短。且在启动初期，圆柱直通孔毛细芯发生了蒸汽热泄漏，如图8所示。同时，虽然圆柱直通孔毛细芯的有效热导率较小，但热量以导热的形式泄漏的量也较小，因此不占主导地位。施加在蒸发器的热量大部分被工质吸收形成蒸汽，此时蒸汽穿透毛细芯造成的热泄漏占主导地位。因此，启动初期蒸汽热泄漏是影响LHP启动快慢的重要因素。特斯拉阀毛细芯因两端压差的存在，使得毛细芯能对蒸汽反向穿透毛细芯产生阻碍作用，改善因蒸汽泄漏而造成LHP启动较慢的问题。特斯拉阀毛细芯在每个启动功率下的稳定温度均高于圆柱直通孔毛细芯对应的稳定温度。原因如下：在LHP启动后，工质能得到稳定的补充和蒸发，这时以导热的方式由蒸发区向储液区传递的热量较多，占主导地位。特斯拉阀毛细芯的有效热导率比圆柱直通孔毛细芯的大，因此泄漏传递的热量较多，稳定后的壁面温度相对较高。
图8 不同功率的启动初期可视化图
从图8的可视化研究中可以看出，对于圆柱直通孔毛细芯，蒸汽的穿透随启动功率的上升而更加严重，特斯拉阀毛细芯却未出现蒸汽穿透现象。在表3中，稳定温度随启动功率的增加，两种毛细芯分别对应的稳定温度差呈逐渐缩小的趋势，说明特斯拉阀毛细芯在启动功率增加的情况下能表现出更佳的启动性能。
5
结论
3D打印毛细芯孔径较大，在LHP启动过程会产生蒸汽穿透毛细芯的现象，造成严重的热泄漏，对LHP的启动性能不利。为了抑制蒸汽的穿透，将具有单向流动性的特斯拉阀通道结构引入到3D打印毛细芯的设计中，并与常规流道的毛细芯进行了渗透率和启动性能的比较。通过实验，得到如下结论。
（1）渗透率的测量结果表明：特斯拉阀毛细芯的渗透率在流动方向上存在明显的差异，即正向流动的特斯拉阀毛细芯的渗透率大于反向流动的渗透率。正是这种差异，使得特斯拉阀毛细芯能起到抑制蒸汽反向穿透毛细芯的效果。
（2）LHP启动的实验中，蒸汽穿透毛细芯是LHP启动快慢的重要因素。特斯拉阀毛细芯由于对蒸汽的抑制作用，使其在每个功率下的启动速度均比常规毛细芯快。但是由于较小的孔隙率和较大的有效热导率，导致启动时壁面温度偏高。
（3）实验结果表明：将特斯拉阀流道结构应用在3D打印多孔毛细芯中，能够有效地抑制LHP启动初期产生的蒸汽穿透现象。且随着启动功率的增加，特斯拉阀毛细芯对蒸汽的抑制效果更明显，启动性能更好。
作者简介
第一作者：胡卓焕，博士，副教授，研究方向为传热传质。
通信作者：许佳寅，博士，讲师，研究方向为化工过程机械。
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