柔性熱管傳熱性能研究現(xiàn)狀及發(fā)展

侯正烜 蔡振 魏立志 陳雅琳 郭亞博 劉良旭

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院 河北 唐山 063210）

1 前言

隨著現(xiàn)代電子信息設(shè)備等高科技產(chǎn)品向微型化、高速化、集成化和低功耗方向發(fā)展，基于氣液相變的熱管技術(shù)是一種高效的熱管理手段，而傳統(tǒng)剛性熱管滿足不了微型電子元器件高性能散熱需求，發(fā)展新型柔性熱管技術(shù)有望克服上述問(wèn)題，具有重要意義。

柔性熱管的概念由Grover［1］在其研究中提出，受當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，熱管曲折性能較低。隨后Bliss［2］等人采用不銹鋼網(wǎng)制成的毛細(xì)芯作為熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，最終得出了銅水式柔性熱管。Peeples［3］等人研究了熱管絕熱端的曲率半徑對(duì)熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)小的曲率半徑可能會(huì)造成內(nèi)部吸液芯結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致熱管傳熱性能降低。Meier［4］等人設(shè)計(jì)出一種溫區(qū)1400K以下傳遞熱量1500kW的柔性熱管，該熱管可用于宇宙飛船散熱器上。李煒征［5］等人研究分析了低溫?zé)峁芴幱诓煌瑐鳠針O限對(duì)性能影響，得出重力熱管產(chǎn)生影響的傳熱極限只有兩種：干涸極限和沸騰極限。Jiale Huang［6］等人發(fā)明了一種y型柔性分支熱管，研究了工質(zhì)填充比、加熱功率、彎曲角度、傾斜角、取向角和堵塞比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔性支熱管熱性能的影響。結(jié)果表明，與直管相比，柔性支管具有更高的冷卻能力和更大的最大熱負(fù)荷。Xuan Dai［16］等人建立了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程，實(shí)驗(yàn)表明，超薄扁平熱管（UTFHP）的熱性能劣化在0°和45°的彎曲角度范圍內(nèi)，絕熱段的熱阻隨著彎曲角的增加而增長(zhǎng)。Yang［15］等人測(cè)試了兩根扁平熱管的不同填充負(fù)載比，施加功率和傾斜角度。實(shí)驗(yàn)表明，125%的最佳填充負(fù)載比產(chǎn)生0.12K／W的最低熱阻，傳熱能力為20W。代軒［7］等人研究了彎折對(duì)于柔性熱管熱特性的影響，得出氣液相界面的毛細(xì)壓差或者熱管的毛細(xì)泵力是影響熱管性能和運(yùn)行的最重要參數(shù)之一。Xiaohua Zhu［8］等人對(duì)不同柔性管進(jìn)行拉伸性能分析，結(jié)果表明，當(dāng)柔性管受到靜水壓力時(shí)，外部壓力對(duì)柔性管拉伸性能的提高更大，但對(duì)極限拉伸載荷的降低明顯。Chao Liu［14］等人將三種不同的填充比例的工作流體加載到熱管中，分析表明，彎曲會(huì)干擾柔性扁平熱管中蒸發(fā)器到冷凝器的蒸汽流，從而導(dǎo)致蒸發(fā)部分的液蒸氣界面熱阻增加。

綜上可知，影響柔式熱管傳熱效率的因素有曲率半徑、內(nèi)毛細(xì)壓差以及充液率等，文章將分別從這三個(gè)因素進(jìn)行分析并提出優(yōu)化的方法及建議。

2 柔性熱管類(lèi)型

不同的管殼材質(zhì)可將柔性熱管分為三類(lèi)，分別是金屬柔性熱管、聚合物柔性熱管以及復(fù)合型柔性熱管。其中金屬柔性熱管主要分為兩種類(lèi)型，一是金屬自帶伸展性質(zhì)實(shí)現(xiàn)柔性特征，而另一類(lèi)則是金屬波紋管作為柔性連接材料。由于金屬自身性質(zhì)無(wú)法改變，此類(lèi)金屬柔性熱管所具有的曲折能力并不突出。而聚合物柔性熱管是利用聚合物材料作殼體的具曲折能力的柔性熱管，雖然聚合物具有柔性特性，但此類(lèi)聚合物導(dǎo)熱性能不佳，增加了熱管的傳熱熱阻，降低了熱管的傳熱效率。復(fù)合型熱管可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是聚合物表面復(fù)合金屬層，能夠提高復(fù)合物的機(jī)械強(qiáng)度、氣密性、導(dǎo)熱能力。但聚合物本身導(dǎo)熱性較差，蒸發(fā)端和冷凝端的熱量仍需通過(guò)聚合物進(jìn)行傳送，熱管的整體導(dǎo)熱能力相對(duì)較弱。另一類(lèi)利用聚合物材料，將熱管的蒸發(fā)端與冷凝端相連。同時(shí)，蒸發(fā)端和冷凝端由金屬材料制成，不僅可以增強(qiáng)柔性熱管的傳熱性能，也可以保持聚合物較好的曲折能力。相對(duì)地，這種方法在加工工藝上難度比較大。

3 影響柔性熱管傳熱性能因素

3.1 曲率半徑

對(duì)柔性熱管性能研究發(fā)現(xiàn)，熱管傳熱過(guò)程中曲率半徑的變化對(duì)傳熱性能產(chǎn)生了重要影響。代軒［7］等人研究發(fā)現(xiàn)柔性熱管的熱阻與功率隨曲率半徑的變化而改變：

（1）當(dāng)曲率半徑與加熱功率不變時(shí)，熱管熱阻隨著彎曲角度的增加呈現(xiàn)微小的增加；

（2）當(dāng)固定曲率半徑和加熱功率時(shí)，熱管的極限功率隨著彎曲角度增加有一定的減?。?/p>

（3）當(dāng)固定彎折角度和加熱功率時(shí)，熱管極限功率與曲率半徑?jīng)]有明顯的變化關(guān)系。

Daehoon Lee［9］等人設(shè)計(jì)了一種新型柔性薄板熱管。熱管采用一種具有納米結(jié)構(gòu)的超親水表面的新型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明熱管即使在彎曲條件下也能作為有效的熱導(dǎo)體。目前平板熱管在無(wú)曲率工況下，有效導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)3000W／mK。當(dāng)曲率半徑為95mm時(shí)，有效導(dǎo)熱系數(shù)平均降低10%～20%。且納米結(jié)構(gòu)的超親水表面與傳統(tǒng)基銅表面相比，能顯著提高材料的熱性能。當(dāng)熱管啟動(dòng)時(shí)，隨著熱輸入的增加，所制備的平板熱管的熱性能首先增加。當(dāng)施加的熱量接近毛細(xì)管極限時(shí)，熱性能隨熱輸入而下降。受重力影響，處于垂直狀態(tài)的熱管性能最佳。Chuljae Jung［10］等人提出了用金屬密封的高性能聚合物柔性脈動(dòng)熱管（FPHP）的方法，利用聚碳酸酯片用作基礎(chǔ)材料，F(xiàn)CCL用作信封。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)FPHP的熱性能在垂直方向、水平方向和45°彎曲條件下以各種輸入熱力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于垂直方向，F(xiàn)PHP的最大有效導(dǎo)熱性為1070W／m=K。FPHP即使在水平方向上也運(yùn)行正常，F(xiàn)PHP的有效導(dǎo)熱性平均降低了20.4%。在45°彎曲條件下，F(xiàn)PHP的有效導(dǎo)熱性與垂直方向相比平均降低了3.4%。

3.2 毛細(xì)壓差

研究表明柔性熱管的毛細(xì)管壓差對(duì)其傳熱性能有重要影響。許樂(lè)［11］對(duì)微熱管的分析結(jié)果表明。當(dāng)熱管達(dá)到毛細(xì)管極限時(shí)，由于蒸發(fā)與冷凝兩端溫差過(guò)大，毛細(xì)管體的毛細(xì)管力不足導(dǎo)致冷凝液體無(wú)法完全回流，蒸發(fā)器蒸發(fā)干燥導(dǎo)致熱管故障。因此毛細(xì)壓差對(duì)熱管的傳熱性能影響較大。代軒［7］等人研究得出熱管吸液芯內(nèi)所形成的毛細(xì)壓差是由一根熱管的最大毛細(xì)泵力產(chǎn)生。分析可知，氣液相界面的毛細(xì)壓差或者熱管的毛細(xì)泵力對(duì)熱管性能和運(yùn)行十分重要。如果熱管吸液芯中氣液界面形成的毛細(xì)管壓力差不足，熱管吸力中心處的冷凝水不得回流到蒸發(fā)末端。此時(shí)，熱管達(dá)到毛細(xì)管壓力極限，蒸發(fā)結(jié)束時(shí)的真空芯將蒸發(fā)干燥。吸液芯的物理結(jié)構(gòu)是決定這一極限的重要原因之一，當(dāng)熱管在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，蒸汽由蒸發(fā)端不斷地向冷凝端流去，而冷凝后的液體由冷凝端通過(guò)吸液芯回流作用重新回到蒸發(fā)端。

理論上，整個(gè)工質(zhì)處于循環(huán)狀態(tài)時(shí)，所有過(guò)程產(chǎn)生的總流動(dòng)阻力不超過(guò)熱管所提供的毛細(xì)泵壓力，熱管便可以穩(wěn)定地工作?？蛇M(jìn)一步模擬和實(shí)驗(yàn)，探究毛細(xì)壓差與柔性熱管傳熱性能間的關(guān)系，并得到最高效傳熱性能。

3.3 充液率

充液率是指填充液體的體積與液體流動(dòng)所需毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中面積的體積之比，可通過(guò)毛細(xì)芯的孔隙率的計(jì)算求得，可根據(jù)Lu Heqing［12］提出金屬絲網(wǎng)的孔隙率的計(jì)算方法?？紫抖鹊奈锢硪饬x是指毛細(xì)循環(huán)中孔隙部分與其整體之間的體積比。繼而根據(jù)熱管中毛細(xì)結(jié)構(gòu)的大小和孔隙率的大小，計(jì)算出理論流體填充能力。實(shí)際上，在熱管內(nèi)毛細(xì)層的角落區(qū)域?qū)⒂幸粋€(gè)死區(qū)，沒(méi)有液體參與流動(dòng)的死區(qū)，充液管路也存在著有液體損失，實(shí)際充液量可通過(guò)減去該損失來(lái)確定。

Jiale Huang［6］等人測(cè)試了柔性熱管處于不同參數(shù)條件時(shí)的熱性能。結(jié)果表明，與直支熱管相比，柔性支線熱管具有較高的冷卻能力和較大的熱負(fù)荷最值。具有15%工作流體填充比的柔性支氣管具有最小的耐熱性，而填充率為45%的管道具有最佳的抗重力性能，它可以在90°彎曲后正常工作。楊超［9］等人研究了柔性熱管中液體填充率對(duì)柔性熱管傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)熱管輸入的參數(shù)數(shù)值保持不變時(shí)，管內(nèi)液體的充液率過(guò)高或過(guò)低都將嚴(yán)重影響傳熱效率。最后分析可知，當(dāng)填充率較低時(shí)，會(huì)造成工質(zhì)不夠充分，熱量沒(méi)有從蒸發(fā)完全交換到冷凝端，這增加了兩端的溫差，提高熱管的導(dǎo)熱性和熱阻，并影響其傳熱性能。如果液體填充率太高，則工質(zhì)太多會(huì)淹沒(méi)蒸發(fā)區(qū)域的液體吸收結(jié)構(gòu)。當(dāng)管內(nèi)液體流入蒸發(fā)段，將會(huì)增加傳熱熱阻。

Li［13］等人比較了扁平超薄熱管的三種不同的復(fù)合燈芯結(jié)構(gòu)。熱管尺寸為200mm×7.8mm×1mm，以水為工作流體。測(cè)試了三根熱管在水平方向上的不同填充比（50% ～80%）和施加功率（8W～15W）。觀察到最佳填充率分別為70%，70%和80%。最大熱功率耗散為12W、13W和14W時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳填充比。

4 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)目前，針對(duì)如何提高柔性熱管的傳熱性能仍需深入研究，文章對(duì)未來(lái)柔性熱管的發(fā)展方向和應(yīng)用前景提出幾點(diǎn)拙見(jiàn)供參考。

（1）今后研究中對(duì)毛細(xì)壓差與柔性熱管傳熱性能間的關(guān)系可進(jìn)一步模擬和實(shí)驗(yàn)，得到更高效的傳熱性能。理論上，柔性熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)影響內(nèi)部毛細(xì)壓差大小，整個(gè)工質(zhì)處于循環(huán)狀態(tài)時(shí)，所有過(guò)程產(chǎn)生的總流動(dòng)阻力不超過(guò)熱管所提供的毛細(xì)泵壓力，熱管便可以穩(wěn)定地工作，提高整體工作效率。

（2）研究柔性熱管內(nèi)最佳充液率。實(shí)際上，在熱管內(nèi)毛細(xì)層的角落區(qū)域有一個(gè)死區(qū)，沒(méi)有液體參與流動(dòng)，充液管路也存在著有液體損失，實(shí)際充液量可通過(guò)減去該損失來(lái)確定。因此改變充液率大小可彌補(bǔ)工作介質(zhì)上的缺陷，提高柔性熱管傳熱性能，對(duì)今后柔性熱管的發(fā)展和研究有著重要作用。

（3）研究新型工質(zhì)增強(qiáng)傳熱性能。基于大量研究發(fā)現(xiàn)，利用混合物作為柔式熱管的工質(zhì)能夠提高其傳熱極限，且混合工質(zhì)也可在低溫區(qū)間及高于低溫區(qū)中各組分所處臨界點(diǎn)溫度下運(yùn)行，研究新型混合工質(zhì)將有利于提高柔性熱管傳熱效率。

（4）利用柔性熱管對(duì)人體進(jìn)行散熱。目前，病人手術(shù)后局部發(fā)熱的降溫效果不佳，對(duì)柔性熱管式人體降溫研究能夠很好地解決這一問(wèn)題，不僅降溫效果高效、成本低廉，而且不會(huì)對(duì)病人的生理機(jī)能造成損害、產(chǎn)生不適感。

5 結(jié)論

文章介紹了柔性熱管的基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用原理及研究現(xiàn)狀，對(duì)影響柔性熱管性能研究進(jìn)行分析，得出結(jié)論：

在一定范圍內(nèi)，隨彎曲角度的逐漸增大，彎曲會(huì)干擾柔性扁平熱管中蒸發(fā)器到冷凝器的蒸汽流，柔性熱管傳熱熱阻也隨之增加，傳熱性能也將降低；當(dāng)熱管達(dá)到毛細(xì)管極限時(shí)，毛細(xì)管體的毛細(xì)管力不足導(dǎo)致冷凝液體無(wú)法完全回流，蒸發(fā)器蒸發(fā)干燥導(dǎo)致熱管故障；處于一定條件下，15%工作流體填充比的柔性管具有最小的耐熱性，而填充率為45%的管道具有最佳的抗重力性能。