脈動熱管技術的研究進展

朱曉瓊 胡念蘇

（1.上海威特力熱管散熱器有限公司，上海 201318；2.武漢大學機械與動力學院，湖北武漢 430072）

隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子元器件不斷地向小型化、微小型化和集成化方向發(fā)展，同時設備的組裝密度也在不斷提高，導致單位面積的熱流密度迅速增加。研究表明，芯片級的熱流密度達100W/cm2之高，如果不能采用合理的散熱技術，必將嚴重影響電子器件及系統(tǒng)的工作［1］。脈動熱管是Akachi在1990年提出的一種新型兩相傳熱熱管，有著結構簡單、成本低廉、傳熱性能好和適應性強的優(yōu)點，是未來高熱流密度散熱器件的主要途徑，已經(jīng)在微電子散熱、冷凍技術、余熱回收、航空航天等方面展現(xiàn)出了良好的應用前景［2-4］。

近年來，國內外學者從實驗方面和理論方面對脈動熱管進行了研究，對其的認識也在不斷地深入。本文首先介紹了脈動熱管的工作原理和結構，然后在此基礎上總結了近年來國內外在脈動熱管的實驗和理論方面的研究進展，以期為脈動熱管的進一步研究提供參考。

1 脈動熱管結構及工作原理

脈動熱管是一種新型熱管，由包含蒸發(fā)和冷凝的毛細管或U形槽道組成，沒有傳熱熱管的毛細芯結構，可分為封閉式、開放式和帶單相閥的閉合回路脈動熱管，如圖1所示。

其基本工作原理為：脈動熱管的蒸發(fā)段形成了一個蛇形密閉的真空，工質在里面以較低壓力吸熱相變產(chǎn)生氣泡，迅速膨脹和升壓并推動工作流向冷凝段。氣泡在冷凝段冷凝收縮并破裂，壓力下降，從而在管內形成氣塞和液塞間隔隨機分布的震蕩狀態(tài)。最終導致工質在加熱段和冷凝段之間震蕩流動，實現(xiàn)熱量的傳遞。

圖1 脈動熱管示意圖

2 脈動熱管的實驗研究現(xiàn)狀

2.1 脈動熱管的可視化研究

通過可視化實驗觀察脈動熱管啟動和穩(wěn)定運行時的工質流態(tài)是一種常用的研究方法。Tong等人［5-7］發(fā)現(xiàn)在熱管蒸發(fā)段可以觀察到核態(tài)沸騰現(xiàn)象及氣泡的膨脹、集合等行為，且在加熱量達到一定程度后工質在熱管內會形成定向循環(huán)流動。Yang等［8］發(fā)現(xiàn)在充液率為40%～70%時，低加熱功率時只有液彈的振蕩運動，高加熱功率時逐漸變?yōu)檠h(huán)流動。Xu等人［7］發(fā)現(xiàn)工質的種類會影響氣泡在脈動熱管內的速度及位置，屈健等［9］則發(fā)現(xiàn)管徑、傾角及彎頭數(shù)都會影響脈動熱管內工質的流動狀態(tài)，從而影響換熱。

曲偉等［10］在半可視化脈動熱管實驗臺發(fā)現(xiàn)，管內工質的流型與加熱功率有關，功率較小時為間歇振動，功率較大時為單向脈動流動。同時發(fā)現(xiàn)熱阻與加熱器功率、熱管傾角及不凝性氣體含量有關。楊蔚原等人［6］通過可視化實驗發(fā)現(xiàn)充液率、溫差、對流換熱條件、加熱段與冷卻段的長度比例、管內表面狀況都對脈動熱管的穩(wěn)定性有影響。曹小林等人［11］在可視化實驗中發(fā)現(xiàn)脈動熱管存在傳熱極限，且在最佳充液體率為50%和最佳傾角為50°時的傳熱極限最高，當熱流密度較大時，通道形狀對傳熱性能的影響較小。

一些學者也采用了特殊的探測技術對脈動熱管進行了可視化研究。Borgmeyer等［12］采用中子成像技術對銅管式脈動熱管進行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)加熱功率會影響熱管內的工質脈動，隨著加熱功率的增大，工質脈動會逐漸趨于穩(wěn)定。李志宏等人［13-14］通過電容成像方法，測量了脈動熱管內兩相流的液膜厚度，發(fā)現(xiàn)脈動熱管流型呈現(xiàn)出彈狀流、混合流和環(huán)狀流等。

總體而言，脈動熱管內的工質流動及流型比較復雜，在不同工況下會出現(xiàn)多種流型，伴隨著氣泡的生成、膨脹、聚合、凝結與消失，流型與傳熱性能密切相關，隨著加熱功率的增加，液彈脈動振幅、速度和頻率都會增加。

2.2 脈動熱管性能的影響因素

影響脈動熱管性能的主要因素包括管道內徑、工作介質、充液率、橫截面形狀、彎頭數(shù)、傾角及加熱方式等。

2.2.1 管道內徑

Lin等［15］認為工作介質為水時，脈動熱管的內徑應大于0.8mm。Khandekar等人［16-17］發(fā)現(xiàn)隨著熱管水力直徑的增加，其傳熱性能提高，而通道的最大直徑可以通過臨界Bo數(shù)來確定。研究表明臨界Bo數(shù)為2，同時Lin給出了［18］脈動熱管通道直徑的范圍。Rittidech等［19］發(fā)現(xiàn)管徑和工質種類會共同影響脈動熱管的傳熱性能，對于水而言，管徑增大會強化傳熱，但是對乙醇則相反。曲偉等［20］采用多種工質研究毛細管對脈動熱管啟動的影響時發(fā)現(xiàn)，當毛細管壁上有空穴時有利于產(chǎn)生氣泡。

2.2.2 工作介質

工作介質的熱物性參數(shù)將會影響脈動熱管的傳熱性能。一般而言，低熱流密度的脈動熱管應采用潛熱較小的工質，高熱流密度的脈動熱管應采用潛熱較大的介質［21-22］。Mahalle等人［23］在研究純工質和二元混合工質對脈動熱管性能影響時發(fā)現(xiàn)，丙酮脈動熱管傳熱性能較好，但混合工質和純工質對熱管性能無明顯影響。

Wang等人［24］選取甲醇、乙醇、丙酮、水和不同兩種物質混合物作為工質進行了脈動熱管的實驗研究，發(fā)現(xiàn)加熱功率會影響熱阻的大小，且對于單一工質的脈動熱管，熱阻從大到小依次為水、乙醇、甲醇和丙酮。在各種單一和混合工質中，甲醇與水混合物作為工質的脈動熱管具有最好的傳熱性能。

Li等［25］研究了納米流體和水脈動熱管的性能，發(fā)現(xiàn)納米流體熱管更容易形成氣泡，熱負荷范圍較大。而Ji等［26］發(fā)現(xiàn)圓柱形納米流體脈動熱管的傳熱性能最優(yōu)。

2.2.3 充液率

工質體積占熱管容積的比例稱為充液率。充液率太小容易導致熱管蒸發(fā)段因為工質不足而發(fā)生燒干，充液率太大則導致生成的氣泡數(shù)量較少，會削弱熱管的傳熱性能。大量的研究表明［2，27］，脈動熱管的充液率范圍是20%～80%，而最佳充液率與脈動熱管的結構尺寸、工質類型、加熱功率、加熱位置和傾角有關。也有研究認為在不同的加熱方式下回路型脈動熱管對應不同的最佳充液率，底部加熱時，最佳充液率為45%～55%；頂部加熱時在35%左右。楊洪海等人［28］則認為最佳充液率在55%左右［29］。

2.2.4 橫截面形狀

脈動熱管的橫截面形狀不同會使流動阻力不一致，從而影響傳熱性能。研究表明［30-31］矩形流道脈動熱管的傳熱性能要優(yōu)于圓形流道熱管，正方形脈動熱管的傳熱性能要小于正三角形截面，且隨著內徑增大傳熱性能變好。曹小林等［32］發(fā)現(xiàn)在相同的條件下，矩形通道截面的傳熱效果要優(yōu)于正方形通道截面。Liu等［33］研究了交替改變通道水力直徑的脈動熱管的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)其傳熱性能要比普通熱管好。

2.2.5 彎頭數(shù)、傾角及加熱方式

脈動熱管彎頭數(shù)的多少直接影響管內氣液兩相分布，從而影響傳熱性能。Charoensawan等［16］發(fā)現(xiàn)脈動熱管的彎頭數(shù)存在一個臨界值，且與熱管內徑、工質種類及熱功率有關，而Maydanik等［34］發(fā)現(xiàn)當脈動熱管的水力直徑為0.5～3mm時，彎管數(shù)應大于10。

傾角和加熱方式都對脈動熱管的傳熱性能有較大影響。曹小林等在研究中［35］發(fā)現(xiàn)脈動熱管在豎直放置底部加熱的情況下運行情況最好，此時理想的傾角為70～90°，水平放置時則不能很好地運行。徐進良等［36］以FC-72為工質，研究了傾角對紫銅脈動熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當傾角為0°時，傳熱性能很差；傾角小于10°時工作極不穩(wěn)定；而在30～90°范圍內傾角對傳熱性能影響不大。

綜上所述，有關脈動熱管的實驗研究已經(jīng)比較豐富，但由于實驗條件及研究對象的差異，不同學者對其認識有一些共性的結論，但也有少許的差異。林梓榮等［29］認為充液率、加熱方式、工質物性、管徑是影響脈動熱管傳熱性能的主要因素，而彎頭數(shù)、橫截面形狀、冷熱段比例是次要因素。

3 脈動熱管的理論研究現(xiàn)狀

脈動熱管的運行機理非常復雜，導致其理論分析及數(shù)值模擬均比較困難，故不少學者都針對脈動熱管做出了多方面的理論研究。能夠反映熱管內傳熱特性的模型主要有：彈簧-質量-阻尼模型、VOF模型、質量動量及能量控制方程模型、混沌模型和半經(jīng)驗關聯(lián)式。

Ma等［37］在彈簧-質量-阻尼模型基礎上對脈動熱管中的液彈脈動和溫差進行了研究，建立了汽液運動方程，獲得了描述液塞位移的分析解，同時預測得到了冷熱段的溫差，發(fā)現(xiàn)液彈脈動強化了熱管的傳熱性能，冷熱段存在最小溫差。Cheng等［38］的模型認為汽彈的作用類似于一個線性彈簧，且顯熱傳遞起主導作用。Wong等［39］采用多彈簧-質量-阻尼模型簡化了熱管內的運動，能較好地反應工質的運動特征，但未能考慮相變和傳熱。此類模型都對脈動熱管做了很大簡化，沒有充分考慮傳熱及相變，難以準確描述真實的物理現(xiàn)象。

Lin等［40］使用VOF和混合模型對脈動熱管內的兩相流進行了研究，發(fā)現(xiàn)可通過增加水力直徑提高熱管的傳熱性能。

Shafii等［41］基于質量、動量、能量守恒方程，并綜合考慮表面張力及相變傳熱，對開放及閉合回路脈動熱管建立了數(shù)學模型，發(fā)現(xiàn)脈動熱管主要通過液彈脈動的顯熱傳熱。賈力等［42］采用質量、動量、能量守恒方程建立了汽塞液塞數(shù)學模型來描述工質在熱管內的運動，發(fā)現(xiàn)管徑及初始壓力均可影響液塞振蕩幅度。Yuan等［43］建立了液彈和汽彈的流動及傳熱模型，發(fā)現(xiàn)液彈的脈動可以看作是一個自由系統(tǒng)的強迫阻尼振動，重力對其的影響很小，且液彈的初始位移對振幅和頻率都無影響。

Xu等［44］在研究脈動熱管各個管段溫度分布的基礎上，發(fā)現(xiàn)脈動熱管可以看作一個混沌系統(tǒng)，但其自相關函數(shù)隨時間的下降表明，對該系統(tǒng)進行長時間預測的能力是有限的。Wu等［45］發(fā)現(xiàn)脈動熱管內工質運動的混沌程度比較弱，并從理論上給出了工質運動狀態(tài)改變的原因。翁建華等［46］采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對脈動熱管傳熱性能進行了研究，預測結果與實驗值之間吻合程度較高，但模型的通用性尚有待驗證。Chang等［47］通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型揭示了脈動熱管在不同工況下傳熱的非線性特征。Lee等［48］提出了一個針對帶有多個液塞和汽塞的脈動熱管的非線性神經(jīng)網(wǎng)絡模型來預測熱管中脈動的不穩(wěn)定性，預測結果較好，但對模型的物理意義沒有明確解釋。

曲偉等［49］建立了環(huán)路型脈動熱管穩(wěn)態(tài)自激循環(huán)流動運行機制的物理模型和數(shù)學模型，在綜合考慮傳熱、汽液容積流率、密度、運行驅動力和阻力的基礎上，對傳熱和流動進行了耦合求解。研究發(fā)現(xiàn)潛熱傳遞決定了循環(huán)流動速度，顯熱傳遞及流動速度共同決定了凈換熱量的大小。同時還建立了［20］脈動熱管啟動和運行的物理數(shù)學模型，討論了尺度效應是如何影響脈動熱管的啟動和運行的，發(fā)現(xiàn)通過壁面粗糙度的加工、氣泡尺度的控制和工質的匹配選擇等可以實現(xiàn)脈動熱管的優(yōu)化設計。

也有學者通過熱力學分析［50］，對簡單回路脈動熱管的系統(tǒng)耗散功和系統(tǒng)體積功進行了研究，獲得了脈動熱管運行的熱平衡條件，發(fā)現(xiàn)耗散功是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。

同時近年來也有學者在實驗的基礎上總結出一些半經(jīng)驗模型來預測脈動熱管的運行。傅烈虎等［51］采用應用統(tǒng)計學中的中心復合設計原理，在對平板型脈動熱管進行實驗的基礎上，得到了以充液率、傾斜角度和加熱量作為變量的二階回歸模型，模型結果與實驗結構的偏差在5%以內。Rittidech等［19，52］建立了以管徑、充液率、工質、止回閥比例為參數(shù)的關聯(lián)式，較準確地預測了脈動熱管垂直或水平放置時的工作范圍。Katpradit等［53］在綜合考慮冷凝段、絕熱段及加熱段間不同比例的影響，利用相似分析法總結出了預測臨界熱流密度的關聯(lián)式。

綜上所述，由于脈動熱管的運行受到了很多因素的影響，故各種模型都很難準確的描述脈動熱管的運行機理，每種模型均在某方面有較好地指導意義，但也存在一些缺陷，需要更充分地考慮更多因素的影響，關于脈動熱管的理論研究還需進一步增強。

4 脈動熱管技術展望

脈動熱管作為一種新型高效技術，由于其良好的傳熱性能受到了國內外很多學者的關注，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢頭。目前針對脈動熱管的研究，主要是通過多工況實驗來研究其傳熱性能的影響因素，通過可視化研究來揭示其傳熱機理，并建立數(shù)學模型對其進行分析。通過不斷的努力，對脈動熱管的認識正在不斷深入，也開始逐漸投入到實際應用當中。但要實現(xiàn)脈動熱管的大規(guī)模應用，還有一些問題需要解決。（1）應繼續(xù)加強對脈動熱管傳熱機理的研究，建立更為精確、更具通用性的理論模型，從而深刻揭示傳熱機理，指導脈動熱管的設計與運行。（2）應加強對微型脈動熱管的理論研究。微電子器件的尺度越來越小，從而對脈動熱管的尺寸也提出了相關限制，但這方面的研究很少，從而限制了脈動熱管在微電子領域的應用。（3）加強脈動熱管的應用研究。如在不用條件下應用脈動熱管時，如何選擇脈動熱管的結構、尺寸、工質類型等以及脈動熱管的加工，在這方面需要積累更多的實驗基礎來為脈動熱管的應用提供依據(jù)。

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