屈 健

（江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

脈動熱管（又稱振蕩熱管）是20世紀90年代初由日本學者Akachi[1]提出的一種新型熱管，可由毛細管呈蛇形彎折而成，結構簡單，無需吸液芯，其原型可追溯至 Kurzwe和 Ling[2]提出的用于增強傳熱效果而被稱為“夢之管”（dream pipe）的毛細管束。作為近年來新型熱管技術中的典型代表，脈動熱管在繼承傳統(tǒng)熱管簡單、可靠、價廉和無需功耗等特點的基礎上，又較好地克服了其易受攜帶和沸騰等極限制約、傳熱極限偏低的不足，具有熱響應快、傳熱能力突出和環(huán)境適應性強的優(yōu)點，已經(jīng)在微電子冷卻、余熱回收、干燥、太陽能集熱和制冷空調(diào)等領域[3-12]展現(xiàn)出良好的應用前景。

近年來，國內(nèi)外學者對脈動熱管開展了多方面的研究，發(fā)現(xiàn)熱管內(nèi)工質(zhì)的汽-液兩相運動及熱、質(zhì)傳遞行為異常復雜，帶有明顯的隨機特征，總體上對其認識還處于不斷深入階段，仍有一系列問題有待研究解決。本文作者首先介紹了脈動熱管的基本工作原理和結構特征，在此基礎上總結了近年來國內(nèi)外在脈動熱管實驗和理論方面的研究成果和最新進展，并對應用研究方面的情況作了一定介紹，最后簡要就其應用推廣和發(fā)展趨勢進行了展望，以期能夠為其它研究者提供參考和借鑒。

1 脈動熱管工作原理和結構特征

如圖1所示，脈動熱管通常以閉合回路結構為主，同時存在開放回路和帶單向閥的閉合回路這兩種衍生結構（圖1右側）。作為被動式傳熱元件, 脈動熱管的基本工作原理為：蒸發(fā)段液體工質(zhì)吸熱相變產(chǎn)生氣泡，迅速膨脹升壓并推動工質(zhì)流向冷凝段；冷凝段氣泡/汽塞冷卻收縮甚至消亡，壓力下降。熱管各管間形成的壓差和壓力波動使工質(zhì)在冷熱段間來回振蕩運動，實現(xiàn)熱量的傳遞。脈動熱管運行時兼有相變和振蕩傳熱的特點，因此能夠最大限度提高熱量傳遞的效率，傳熱性能突出。

和普通熱管相比，脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的運動形式以汽、液塞狀流為主，因此要求管內(nèi)徑尺寸不超過某個可形成液塞的臨界值；同時，也有學者從脈動熱管有效運行的角度出發(fā)，推薦其克服運動阻力實現(xiàn)正常運行的最小管徑。綜合以上兩者要求，熱管管徑尺寸介于某范圍之間，滿足式（1）。

分別采用文獻[13]和文獻[15]的標準，常溫下以水和乙醇等常規(guī)液體為工質(zhì)的脈動熱管管徑一般介于1～5 mm。另外，文獻[13-14]所反映的最大管徑主要適用于管型脈動熱管，對于非圓截面的槽道型（或平板）脈動熱管，Yang等[16]認為其相應的最大當量直徑應比圓管時大。

式（2）所反映的Bo數(shù)基本處于 Cheng和 Wu等[17]所推薦的小通道（mini-channel）尺寸范圍內(nèi)（注意，文獻[17]中對Bo數(shù)的定義是本文中定義的平方），而超出部分則已進入常規(guī)通道（macro-channel）范圍。

2 實驗研究現(xiàn)狀

圖1 閉合回路脈動熱管及其衍生結構示意圖

脈動熱管的實驗研究主要包括可視化和傳熱特性兩個方面，兩者互為補充，從不同方面揭示脈動熱管的基本運行特征，是掌握其內(nèi)部工質(zhì)相變振蕩運動規(guī)律并尋找提高其傳熱能力手段的主要途徑，同時也為理論分析提供參考和檢驗依據(jù)。

2.1 可視化實驗

脈動熱管區(qū)別于其它熱管的關鍵之處在于其管內(nèi)工質(zhì)的流型和獨特的振蕩運動方式，而這又影響其自身的傳熱性能，因此了解脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的兩相運動特征也成為認識并揭示其振蕩傳熱機理的重要途徑。利用可視化技術，國內(nèi)外學者分別就管型和槽道型脈動熱管開展了一定的研究。

2001年，新加坡南洋理工大學的Tong等[18]報道了對內(nèi)徑1.8 mm、甲醇為工質(zhì)的玻璃脈動熱管的可視化實驗研究結果，在熱管蒸發(fā)段觀察到核態(tài)沸騰現(xiàn)象以及氣泡的膨脹長大、聚合和汽塞斷裂等行為，發(fā)現(xiàn)加熱量增大到一定程度后工質(zhì)可在熱管回路內(nèi)形成穩(wěn)定的整體定向循環(huán)運動（順時針或逆時針）。隨后，其它學者[19-21]也報道了定向循環(huán)運動的現(xiàn)象，但并未對其形成機理給出明確解釋。工質(zhì)在脈動熱管內(nèi)定向運動過程中，隨著加熱功率的增大，相鄰管間可依次出現(xiàn)如圖2所示的塞/泡狀流和環(huán)狀流流型。

Xu等[21]的研究發(fā)現(xiàn)氣泡在脈動熱管內(nèi)的位置和速度隨時間的變化因所選工質(zhì)而異：對于甲醇，氣泡的位置和速度近似呈正弦波的形狀；而對水則具有類似方波的特征。

屈健等[22]研究了不同管徑（0.5～2.5 mm）對脈動熱管內(nèi)工質(zhì)運動流型的影響，觀察并分析了不同加熱功率下熱管內(nèi)工質(zhì)“振蕩-準靜止”狀態(tài)交替出現(xiàn)的情況。除管徑外，傾角和彎頭數(shù)量也會影響脈動熱管內(nèi)工質(zhì)運動的流型[23]。而流型的不同則將直接影響熱管的傳熱性能。

圖2 脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的定向循環(huán)運動[19]

除管型脈動熱管外，含有透明蓋板材料的槽道型（或平板）脈動熱管也是可視化研究的重要對象。以乙醇為工質(zhì)，曹小林等[24]對由開槽鋁板和聚碳酸酯玻璃蓋板密封制作的脈動熱管進行了可視化實驗，觀察了不同充液率、傾角和加熱功率下內(nèi)部工質(zhì)運動的情況。Borgmeyer等[25]報道了不同輸入功率下玻璃蓋板槽道脈動熱管內(nèi)汽-液塞運動位置和速度的變化情況。

同時，也有學者利用特殊探測技術對金屬脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的運動進行可視化觀測。Wilson等[26]利用中子成像技術對銅-水脈動熱管進行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)在低加熱功率下，熱管內(nèi)的工質(zhì)脈動具有隨機和間歇振蕩的特征。隨著加熱功率的增大，工質(zhì)運動速度也相應增大并趨于穩(wěn)定。李驚濤等[27]通過電容成像方法，對脈動熱管內(nèi)的兩相流實現(xiàn)了可視化觀測，并測量了液膜厚度，此技術可用于識別工質(zhì)流型的轉變。

由于實際應用的脈動熱管多由金屬毛細管或平板制成，其材質(zhì)及物性（如表面粗糙度、潤濕性和熱導率）與玻璃存在較大差異，因此針對金屬脈動熱管的可視化研究可在一定程度上彌補了玻璃脈動熱管可視化的不足。

脈動熱管內(nèi)部的工質(zhì)運動及流型發(fā)展演變行為異常復雜，實驗中觀察到泡狀流、塞狀流、環(huán)狀流/半環(huán)狀流、波環(huán)狀流和攪拌流等多種流型，同時伴隨有氣泡的生成、長大、聚合以及汽塞的膨脹、斷裂、收縮、湮滅等行為，并存在液橋和液膜“燒干”等現(xiàn)象，流型的改變將直接影響熱管的傳熱性能，并給建模和數(shù)值模擬帶來極大的挑戰(zhàn)。

2.2 傳熱特性實驗

傳熱特性實驗研究是認識脈動熱管傳熱性能的最直接方式，也是近年來實驗研究的主要方向。已有研究發(fā)現(xiàn)，脈動熱管的傳熱性能受到眾多因素的影響，包括熱管自身結構、工質(zhì)類型、充液率、加熱方式和重力等。

2.2.1 熱管結構和尺寸的影響

影響脈動熱管傳熱的結構因素主要包括截面形狀、管徑、蒸發(fā)段或冷凝段長度、彎頭數(shù)等。周巖和曲偉[28]對三角形和方形截面槽道脈動熱管的研究發(fā)現(xiàn)，三角形截面脈動熱管的傳熱性能優(yōu)于方形截面熱管。而曹小林等[29]的研究則指出，相同條件下矩形截面脈動熱管的傳熱效果優(yōu)于方形截面熱管。商福民等[30]對非均勻截面脈動熱管的測試發(fā)現(xiàn)，一定條件下其傳熱性能優(yōu)于均勻截面的熱管。

Rittidech等[31]通過對不同工質(zhì)在不同管徑脈動熱管內(nèi)的實驗研究發(fā)現(xiàn)，熱管的傳熱能力受管徑和工質(zhì)共同作用的影響：對于R123和水, 管徑的減小削弱其傳熱能力，而對乙醇則剛好相反。Charoensawan等[32]的研究發(fā)現(xiàn)脈動熱管的最大傳熱量隨管徑的增加而增大。而Nishio[33]的研究則證實以R141b為工質(zhì)的脈動熱管存在對應于最大傳熱能力的最佳管徑。以上研究表明，脈動熱管的傳熱能力與管徑密切相關，但對管徑的具體作用尚缺乏統(tǒng)一認識。

當脈動熱管的蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段長度相等時，Rittidech等[31]的研究發(fā)現(xiàn)熱管的傳熱能力隨蒸發(fā)段長度的增大而減小。除蒸發(fā)段或冷凝段長度外，脈動熱管的傳熱能力還受冷熱段長度比的影響[34]。

脈動熱管的彎頭數(shù)目也會影響其傳熱性能。Melkikh和Dolgirev的實驗研究發(fā)現(xiàn)，脈動熱管平均運行溫度隨著彎頭數(shù)目的增加而增大[35]。Akachi等[36]的研究發(fā)現(xiàn)脈動熱管彎頭數(shù)目大于某臨界值后，其傳熱性能與其傾角無關，即在相同實驗條件下底部加熱、水平加熱和頂部加熱時熱管的傳熱能力接近。Sakulchangsatjatai 等[37]的研究認為該臨界彎頭數(shù)應高于40。由此說明, 當脈動熱管的彎頭數(shù)目足夠大時，在微重力的太空環(huán)境下同樣可以運行，展現(xiàn)出空間技術方面的應用潛力。

2.2.2 工質(zhì)的影響

目前，脈動熱管所選用的工質(zhì)種類較多，主要包括水、乙醇、FC-72、R-123、R141b等。為增強熱管的穩(wěn)定運行效果，Khandekar等[13]從熱力學角度出發(fā)，建議選擇的工質(zhì)應具有高(dP/dT)sat值、低黏度、低潛熱、低表面張力和高比熱的特點。除純工質(zhì)外，最近也有使用兩元混合工質(zhì)[38-39]和自潤濕工質(zhì)[40]方面的研究報道。

2.2.3 充液率的影響

充液率是影響脈動熱管傳熱性能的又一個重要因素，取值范圍通常介于20%～80%。雖然脈動熱管的啟動熱功率隨著充液率的下降而減小，但低充液率容易導致熱管蒸發(fā)段因工質(zhì)無法得到及時補充而提前出現(xiàn)“燒干”；當充液率過大時，形成的氣泡數(shù)量較少，又會大大削弱熱管的振蕩效果，同樣不利于其傳熱，因此存在最佳充液值。Charoensawan等[41]從對銅-水脈動熱管實驗中得出的最佳充液率介于50%～70%；楊洪海等[42]推薦55%作為最佳充液率。而Miyazaki等[43]的研究則發(fā)現(xiàn)不同加熱方式下脈動熱管具有不同的最佳充液率。根據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，脈動熱管的最佳充液率和管徑、彎頭數(shù)、工質(zhì)種類及加熱方式等因素有關。

2.2.4 重力的影響

曹小林等[44]的實驗發(fā)現(xiàn)，脈動熱管在豎直放置底部加熱模式下運行時效果最好，30°～90°是較為理想的傾角范圍；而在豎直放置頂部加熱模式和水平放置時則難以很好地運行，容易出現(xiàn)“燒干”。

Gu等[45]測試了Teflon圓管脈動熱管和鋁板槽道脈動熱管在不同重力加速度下的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)熱管的傳熱性能在失重時比正常和超重條件下更好。Thompson等[46]對超重情況下三維平板脈動熱管的研究發(fā)現(xiàn)，重力大小對熱管的傳熱作用影響有限，10倍重力加速度（10g）下熱管的有效熱導率幾乎保持不變。

Groll 和 Khandekar[47]總結了影響脈動熱管傳熱性能的各種因素。林梓榮等[48]認為管徑、工質(zhì)選擇、充液率和加熱方式等是影響脈動熱管傳熱性能的主要因素；而彎頭數(shù)、截面形狀、冷熱段長度比等則是次要因素。顯然，以上分類和判斷并非是絕對的，任何因素的影響都與脈動熱管自身的運行狀況和環(huán)境密切相關，多種因素常常耦合交織共同施以影響。

目前有關脈動熱管傳熱特性的實驗研究已比較豐富，但因?qū)嶒灄l件和研究對象的差異，對某些問題的認識還存在一定分歧，需要更多實驗測試和數(shù)據(jù)來支持并完善對其的認識，為發(fā)展應用奠定堅實基礎。

3 理論研究現(xiàn)狀

除實驗研究以外，近年來脈動熱管在理論研究方面也得到較快發(fā)展，不少學者建立了預測熱管內(nèi)流體振蕩運動、傳熱和反映其整體特性的物理模型。主要包括：“彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型；質(zhì)量、動量和能量控制方程模型；半經(jīng)驗實驗關聯(lián)式；一些其它分析模型。

3.1 “彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型

針對脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的振蕩運動現(xiàn)象，Zuo和North[49]建立了“單彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型，由于該模型過于簡化，模擬結果與實驗觀測差別較大。Wong等[50]則利用Lagrange逼近法，通過“多彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型簡化了脈動熱管內(nèi)汽、液塞的運動，雖然該模型在一定程度上較“單彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型更能反映熱管內(nèi)的工質(zhì)運動特征，但模擬中同樣未考慮任何傳熱和相變過程，與物理實際不符，因此同樣缺乏實用價值。以脈動熱管內(nèi)的運動液塞為對象，Ma等[51]建立了考慮熱驅(qū)動力、摩擦阻力和類似彈簧回復力在內(nèi)的汽、液塞運動方程，利用 Laplace變換求解可獲得描述液塞位移的分析解，同時該模型還可預測得到熱管冷熱段的溫差，模擬結果與實驗吻合較好，該模型有助于加強對脈動熱管傳熱機理的認識。

以上模型大都對脈動熱管作了較大簡化，沒有充分考慮諸如流體湍動、汽液相間歇運動以及表面張力和重力等復雜因素的影響，偏離熱管的熱-水動力耦合特性，難以準確描述其真實物理現(xiàn)象，因此總體上預測結果尚難以準確反映實際狀況。

3.2 質(zhì)量、動量和能量控制方程模型

美國辛辛那提大學的Shafii等[14,52]以液塞及其兩側的汽塞作為控制單元，基于質(zhì)量、動量和能量守恒方程針對開放和閉合回路脈動熱管建立了考慮表面張力和液膜相變傳熱的數(shù)學模型，計算發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下熱管內(nèi)汽塞數(shù)量最終和加熱段彎頭數(shù)目相等。更為重要的是，他們發(fā)現(xiàn)脈動熱管運行過程中以顯熱（而非潛熱）傳熱為主，這與傳統(tǒng)熱管剛好相反。但由于未考慮彎頭的影響，預測得到的汽相溫度、壓力和位移都呈周期性變化，與實際不符。

胡朝發(fā)和賈力[53]采用動量、質(zhì)量、能量守恒法建立了描述脈動熱管內(nèi)工質(zhì)振蕩運動的兩汽塞-液塞模型，模擬發(fā)現(xiàn)初始壓力和管徑大小可直接影響液塞振蕩的幅度。

與“彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型相比，質(zhì)量、動量和能量控制方程模型較好地考慮了表面張力和液膜相變作用的影響，與熱管內(nèi)的實際過程更為接近，但模型的復雜程度也大大增加，求解更為困難。此外，控制方程模型尚無法反映流型演變轉化特征及氣泡/汽塞的合并與斷裂行為，仍存在根本缺陷。

最近，基于液膜蒸發(fā)/冷凝模型，Nikolayev[54]對具有任意彎頭數(shù)和氣泡的脈動熱管開展了數(shù)值模擬，該模型較其他學者所建的模型更為復雜，可獲得諸如液塞合并、液膜聚合或斷裂等現(xiàn)象，同時還得到了與實驗觀測一致的混沌或間歇振蕩結果。也有學者[55-56]借助Fluent軟件，在控制方程模型的基礎上通過 VOF（volume of fluid）方法來描述脈動熱管內(nèi)汽、液界面的位置和運動變化；同時，引入CSF（continuum surface force）模型，以充分考慮表面張力的作用。劉向東和郝英立[55]的模擬結果可較好地反映脈動熱管內(nèi)工質(zhì)在啟動階段相變過程中出現(xiàn)的氣泡合并及破碎過程，以及各種復雜汽、液兩相流型和流型間的相互轉化過程，但并未給出穩(wěn)定運行階段的模擬結果。而Xu等[56]的模擬結果則較好地復現(xiàn)了脈動熱管內(nèi)工質(zhì)穩(wěn)定單向循環(huán)運動過程中的泡狀流、塞裝流和環(huán)狀/半環(huán)狀流等流型。

通過許多學者的努力，研究汽、液塞振蕩運動和液膜熱質(zhì)傳遞的控制方程分析模型已能夠在一定程度上較好地反映脈動熱管的熱-水動力耦合特性，但仍難以從本質(zhì)上深入揭示熱管自身的動態(tài)熱力傳遞過程和運行機制。

3.3 半經(jīng)驗實驗關聯(lián)式

鑒于脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的振蕩運動現(xiàn)象極為復雜，具有高度非線性和結構不穩(wěn)定的特征，且影響因素眾多，直接模擬面臨極大的困難，特別是對傳熱特性的預測基本上還無法與實驗測試相吻合。為此，近年來一些學者在實驗研究的基礎上總結并提出了若干預測脈動熱管傳熱性能的半經(jīng)驗實驗關聯(lián)式[31,57-59]。研究者根據(jù)各自的實驗條件和測試范圍，并結合脈動熱管的一些基本結構參數(shù)和冷熱段溫度情況，由擬合得到的實驗關聯(lián)式可對熱管的傳熱能力作出較滿意的預測，與實驗結果普遍吻合較好。但可利用的實驗數(shù)據(jù)還比較有限，且不同研究者之間存在實驗條件和所用熱管結構的差異，由某個或若干個脈動熱管實驗總結得到的關聯(lián)式通常難以很好地推廣至其它脈動熱管，即通用性仍然不夠理想。

3.4 其它分析方法

除了上述多種方法外，也有一些學者從其它角度出發(fā)，提出預測或揭示脈動熱管傳熱特性及整體運行規(guī)律的方法。

崔曉鈺等[60]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建模方法分析了脈動熱管的傳熱性能，預測結果與實驗值之間吻合很好，但所考慮影響因素較少，模型僅適用于所研究的個體，共性不強。Lee和 Chang[61]通過外生性神經(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。

Maezawa等[62]較早提出了脈動熱管內(nèi)工質(zhì)運行屬于混沌行為的觀點，但并未給出實驗驗證。最近，Song和Xu[63]對不同充液率、傾角和加熱功率下閉合回路脈動熱管壁面溫度脈動的非線性分析發(fā)現(xiàn)，熱管內(nèi)工質(zhì)運動確屬于混沌行為。Qu等[64]的研究則發(fā)現(xiàn)脈動熱管內(nèi)工質(zhì)運動的混沌程度較弱，隨著加熱功率的增大具有最大熵自組織過程的特點，從數(shù)學角度揭示了工質(zhì)在熱管內(nèi)由隨機振蕩自發(fā)向定向循環(huán)運動轉變的原因。

此外，有學者根據(jù)熱力學系統(tǒng)分析[65]的方法，獲得脈動熱管的運行熱平衡條件。通過神經(jīng)網(wǎng)絡、混沌和熱力學分析等方法，可以從不同側面和角度揭示脈動熱管整體傳熱運行的深層內(nèi)涵，了解某些參數(shù)和傳熱特性之間的內(nèi)在關聯(lián)，具有常規(guī)分析方法所不具備的優(yōu)勢，這對加深熱管振蕩傳熱機理的認識是有幫助的。

4 其它方面研究現(xiàn)狀

4.1 納米流體脈動熱管

為更好地增強脈動熱管的傳熱能力，選用由納米顆粒和基液（水、有機液體等）配置而成的新型高效導熱工質(zhì)——納米流體，被認為是簡單有效的方法，也是目前頗受重視的研究方案。2006年，美國密蘇里-哥倫比亞大學的 Ma等[66]率先報道了納米流體脈動熱管方面的研究，他們以金剛石/水納米流體為工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與使用純水時相比脈動熱管的冷熱段溫差顯著下降，在80 W的加熱功率下，溫差從40.9 ℃降至24.3 ℃。雖然一般情況下納米流體的導熱能力隨納米顆粒濃度的提高而增強，但商福民等[67]和Lin等[68]的研究表明，脈動熱管使用熱導率較高的水基金屬顆粒（分別為Cu和Ag）納米流體后，其傳熱效果并非簡單隨顆粒濃度的增加而增強，一定充液率下顆粒濃度較低時更有利于實現(xiàn)熱管傳熱的強化。而馮劍超和曲偉[69]、Wang等[70]以及Qu等[71]的實驗研究則發(fā)現(xiàn)脈動熱管在使用水基金屬氧化物顆粒納米流體后，其傳熱能力同樣可以得到較大幅度的提高。一定濃度下，非金屬氧化物顆粒在增強工質(zhì)熱導率方面的貢獻明顯較金剛石或金屬氧化物顆粒弱，因此單純從提高工質(zhì)熱導率的角度考慮，顯然無法解釋以上的實驗結果[69-71]。為此，Qu和Wu[72]通過對分別充注Al2O3和SiO2納米流體脈動熱管的比較實驗研究發(fā)現(xiàn)，熱管傳熱能力的提高與否很大程度上依賴于納米顆粒在蒸發(fā)段內(nèi)壁面上的沉積狀況，顆粒沉積引起的壁面活性核化點數(shù)量的成倍增加是引起熱管傳熱強化的主要原因。除納米顆粒種類外，顆粒的尺寸[73]和形狀[74]也會影響脈動熱管的傳熱性能。

最近，也有學者將磁流體[75]、相變微膠囊流體[76]和納米乳液[77]作為新型工質(zhì)引入脈動熱管中，發(fā)現(xiàn)同樣具有強化傳熱的功能，它們作為補充拓展了脈動熱管強化傳熱選擇工質(zhì)的范圍，但長期使用過程中不同溫度下顆粒或液滴的穩(wěn)定分散和聚集問題還有待測試。

4.2 微型脈動熱管

近年來，國內(nèi)外學者在槽道型回路脈動熱管的微型化方面作了積極的探索，其中有關硅基槽道脈動熱管的研究尤具代表性。2005年，日本立命館大學的 Sugimoto等[78]提出了一種基于硅基材料的脈動熱管（整體尺寸86 mm×57 mm，通道截面尺寸575 μm×400 μm），但其通道內(nèi)工質(zhì)的振蕩運動主要由集成于底部的兩個往復式壓電泵驅(qū)動，因此屬主動式傳熱裝置，嚴格意義上不能稱之為熱管。

最近，Qu等[6,79-81]利用MEMS濕刻工藝制作了如圖3所示的梯形截面通道、當量直徑介于251～394 μm的硅基微型回路脈動熱管，并對其開展了可視化和傳熱特性的實驗研究。在以FC-72和R113為工質(zhì)的情況下，觀察到泡狀流、塞狀流、環(huán)狀/半環(huán)狀流、波環(huán)狀流和噴射流等[79]，證明脈動熱管通道尺寸微型化后仍可正常運行，并且顯示出良好的傳熱性能[80]。實驗中，通道直徑251 μm脈動熱管的Bond數(shù)可小至0.26時[81]，已明顯低于式（2）中的下限值0.7。Youn和Kim[82]對通道當量直徑571 μm硅基微型回路脈動熱管的研究發(fā)現(xiàn)，充注乙醇時該熱管的有效熱導率高達600 W/(m·K)。以上研究為回路脈動熱管的微型化和集成化發(fā)展奠定了基礎。

圖3 硅基微型脈動熱管[83]

由于尺度效應、界面特性以及主導作用力的不同，通道當量直徑僅數(shù)百微米的微型回路脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)的相變熱力行為較之常規(guī)脈動熱管更為復雜，相關研究還剛剛起步，后續(xù)有待系統(tǒng)深入的研究。

5 應用研究現(xiàn)狀

雖然目前對脈動熱管的研究仍處于應用基礎階段，真正的商業(yè)化產(chǎn)品還較少，但環(huán)境適應性強、傳熱能力突出、制作簡易且成本低的優(yōu)勢都是其推廣應用的有利條件。一些學者已就脈動熱管在微電子冷卻、余熱回收、干燥、太陽能集熱、制冷空調(diào)等方面的應用開展了一定的研究。

Rittidech等[3]設計制作了一個用于CPU芯片冷卻的開放回路脈動熱管緊湊式散熱器，以50%充液率的R134 a為工質(zhì)，結合風扇針對Pentium 4 CPU冷卻的實驗研究表明，和使用傳統(tǒng)熱沉相比引入脈動熱管后冷卻性能更好，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有待提高。在干燥工藝中，Rittidech等[7-8]的研究證實脈動熱管在預熱空氣過程中可有效減小其相對濕度并實現(xiàn)余熱回收的功能。此后，他們[9-10]又分別將充注R134a工質(zhì)的開放和閉合回路（帶單向閥）脈動熱管應用于太陽能集熱領域（圖4），集熱效率分別可達62%和76%，能夠與普通熱管太陽能集熱器相媲美，但價格更低廉，且具有抗凍優(yōu)勢。最近，Lin等[11]將鋁板脈動熱管（充注丙酮）應用于 LED冷卻方面，在自然冷卻下可使散熱設計功率64 W的LED溫度顯著下降。

此外，脈動熱管在制冷[12]、細胞冷凍[83]、高效熱交換[84]和超導磁體冷卻[84]等領域均有應用研究方面的報道，顯示出廣闊的應用前景。

6 展 望

作為新型高效的熱管技術，脈動熱管以其出色的傳熱性能和獨特的運行方式日益受到國內(nèi)外學者的關注，并呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。目前針對脈動熱管的研究，絕大多數(shù)仍處于實驗和理論探索階段，通過眾多學者的努力，對其的認識正逐步深入，并為其規(guī)模應用和推廣打下了良好的基礎。為加速脈動熱管商業(yè)化推廣的進程，仍有若干重要問題亟需解決，主要包括以下方面。

（1）繼續(xù)加強并完善對脈動熱管運行傳熱機理的研究，發(fā)展與之自身特征相符并考慮管間壓力波動和不平衡影響的汽液兩相流模型，以此建立更準確、更具通用性的預測模型。

圖4 脈動熱管太陽能集熱器

（2）根據(jù)脈動熱管在不同應用領域的差別，選擇與之相適應的結構、尺寸參數(shù)和工質(zhì)等類型，并建立各自的實驗標準，積累更多的實驗測試數(shù)據(jù)，為其開發(fā)設計和優(yōu)化選型提供幫助。

（3）加強對脈動熱管啟動和傳熱極限的研究。脈動熱管能否在較低熱負荷下快速啟動，這在微電子和 LED冷卻等對熱敏感性要求較高的溫控領域尤為重要；同時，針對脈動熱管傳熱極限的研究還較少有報道，有必要加強與之相關的可視化和傳熱特性方面的研究，這對認識高熱負荷下脈動熱管的失效特征以增強運行可靠性具有重要意義。

（4）繼續(xù)拓展脈動熱管的應用范圍，尤其是空間技術方面的應用，使其早日成為繼CPL、LHP之后的又一種高性能空間熱管理器件，并有可能成為今后研究的又一個重要方向。

總之，隨著對脈動熱管認識的深入和對其傳熱性能的不斷改善，相信今后必將同其它熱管一樣在眾多領域得到廣泛的應用。

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