焦波

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 榮成 264300）

板式脈動熱管的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究進(jìn)展

焦波

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東 榮成 264300）

板式脈動熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適應(yīng)性好、傳熱性能極佳、易于微小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具競爭力，也吸引了眾多研究者的關(guān)注，但目前仍缺乏有效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指導(dǎo)工程應(yīng)用。本文在介紹了脈動熱管的工作原理及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，綜述了近年來針對板式結(jié)構(gòu)所開展的研究，以水力直徑變化為主線總結(jié)了傳熱性能的研究，包括管內(nèi)流型和振蕩特征、主要參數(shù)的影響以及進(jìn)一步提高傳熱性能的途徑；回顧了有關(guān)啟動特性的研究，涉及啟動條件、啟動過程時(shí)間與溫度的關(guān)系及相關(guān)理論分析；介紹了目前傳熱極限發(fā)生機(jī)理的分析，同時(shí)簡述了板式脈動熱管應(yīng)用方面的研究進(jìn)展；最后指出了目前未能解決的關(guān)鍵問題，特別是為充分發(fā)揮板式結(jié)構(gòu)微小型化的優(yōu)勢，對影響啟動條件的參數(shù)研究至關(guān)重要。

板式脈動熱管；氣液兩相流；傳熱；傳質(zhì)；啟動；極限

脈動熱管（pulsating heat pipe，PHP），又稱振蕩熱管（oscillating heat pipe，OHP），是熱管家族中最新、最獨(dú)特的形式之一，1990年由日本學(xué)者Akachi[1]首次提出。它有兩種實(shí)現(xiàn)形式：一種是由封閉的毛細(xì)管彎曲成蛇形結(jié)構(gòu)的管式脈動熱管（tubular PHP）；另一種是在平板上加工閉合彎曲通道的板式脈動熱管（flat-plate PHP），如圖1所示。其工作原理是：當(dāng)管徑足夠小時(shí)，在真空條件下封裝于管內(nèi)的工質(zhì)在表面張力的作用下將形成隨機(jī)分布、間隔布置的氣泡和液塞。在加熱段，氣泡或氣柱與管壁之間的液膜不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致氣泡膨脹，推動氣液塞流向冷卻段，同時(shí)冷卻段氣泡冷凝收縮或破裂，從而在冷熱端之間形成較大的壓差。在此壓差和相鄰管內(nèi)的壓力不平衡的作用下，使工質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)高效的熱傳遞。小管徑和冷熱端反復(fù)彎折是形成振蕩流的基本條件。由于直徑小、無吸液芯、可隨意彎曲、在一定條件下冷熱端位置不受限制、氣液振蕩可傳遞顯熱并將熱量轉(zhuǎn)化為功，因此脈動熱管具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適應(yīng)性好、傳熱性能極佳等優(yōu)點(diǎn)，被視為目前解決小空間高熱流密度散熱問題一種極具前景的傳熱元件[2]。板式脈動熱管結(jié)構(gòu)特征更加易于小型化，因此作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具競爭力。

圖1 脈動熱管的結(jié)構(gòu)示意圖

脈動熱管的直徑在保證形成氣液塞的同時(shí)，也要滿足其能夠克服氣液塞阻力以形成循環(huán)流動的條件，因此直徑不能過小。對于水、甲醇、乙醇、R142b、丙酮等多種常用工質(zhì)，其范圍通常在1～5mm[2]?？梢钥闯?，雖然也被稱為熱管，脈動熱管和標(biāo)準(zhǔn)熱管的傳熱機(jī)理截然不同，其內(nèi)部流動屬于細(xì)小通道內(nèi)的氣液兩相流，沿管道工質(zhì)運(yùn)動與沸騰、蒸發(fā)及冷凝傳熱傳質(zhì)過程有機(jī)互動，潛熱、顯熱傳遞互相配合，運(yùn)動過程中工質(zhì)的壓力、溫度和速度均呈現(xiàn)振蕩，并帶有很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。

在對板式脈動熱管的研究中，各國學(xué)者一直致力于以小管徑、小外形尺寸實(shí)現(xiàn)其在不同角度上的運(yùn)行，同時(shí)對傳熱、流動及振蕩特性進(jìn)行分析。影響脈動熱管運(yùn)行特性的參數(shù)較多，主要包括：管徑、截面形狀、工質(zhì)物性、熱流密度、彎頭數(shù)（number of turns，U形管路的數(shù)量）或稱通道數(shù)（number of channels，1個(gè)彎頭對應(yīng)2個(gè)通道）、充液率（工質(zhì)以液體形式存在時(shí)的體積與整個(gè)管路體積之比）、傾角（放置方向與水平方向的夾角，取值范圍為90°～-90°，分別對應(yīng)底加熱和頂加熱）等，并且這些參數(shù)之間相互影響，共同作用于管內(nèi)工質(zhì)的流動狀態(tài)與振蕩特性。

1 傳熱與流動特性

德國Khandekar等[3]的研究主要關(guān)注了截面形狀、工質(zhì)物性、充液率、加熱功率和傾角對傳熱和流動的影響。2002年他們在鋁板上（115mm× 36mm×3mm）分別加工出水力直徑為2mm的12個(gè)圓形和矩形通道、以水和乙醇為工質(zhì)進(jìn)行了研究，其中圓形通道是通過分別加工在鋁板和聚碳酸酯（polycarbonate）上的兩個(gè)半圓形通道組合形成的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在脈動熱管運(yùn)行中矩形截面的直角發(fā)揮了毛細(xì)結(jié)構(gòu)的作用，因此它具有更小的熱阻；以水為工質(zhì)時(shí)最佳充液率區(qū)間較大，該裝置未能在水平加熱時(shí)實(shí)現(xiàn)振蕩。2006—2009年，他們[4-6]在鋁板上（180mm×120mm×3mm）加工出2mm×2mm的40個(gè)正方形通道，如圖2所示，以乙醇為工質(zhì)、通過可視化實(shí)驗(yàn)利用高速攝像機(jī)記錄管內(nèi)的流型變化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)了脈動熱管工作的4個(gè)區(qū)間，如圖3所示：①充液率小于20%時(shí)，僅能在底加熱時(shí)運(yùn)行，無振蕩現(xiàn)象，管內(nèi)氣液逆向流動，每個(gè)通道類似于獨(dú)立的兩相熱虹吸管（模式1）；②充液率在20%～40%時(shí)，能夠在水平方向上運(yùn)行，工質(zhì)可在不同通道內(nèi)流動，振蕩和重力的影響同時(shí)存在，管內(nèi)振蕩的氣液塞和逆向流動的氣液相并存（模式2）；③充液率在40%～70%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)頂加熱時(shí)的運(yùn)行，自激振蕩的塞狀流為主要形式，真正實(shí)現(xiàn)“脈動熱管”的作用，此時(shí)具有最佳的傳熱性能，但隨著加熱功率的增加，循環(huán)作用會抑制振蕩作用（模式3）；④充液率大于70%時(shí)，能在底加熱和部分水平加熱工況下運(yùn)行，振蕩作用被削弱或是消失了（模式4）。

2007年，美國的Borgmeyer等[7]的研究著重考察工質(zhì)物性和加熱功率對振蕩特性的影響，他們在銅板上（76.2mm×76.2mm×2.54mm）加工出1.5875mm× 1.5875mm的28個(gè)正方形通道（圖4），以水、乙醇、全氟化合物（flutec PP2）為工質(zhì)，在充液率為50%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣液塞振蕩的振幅和速度雖然隨著加熱功率的增加而增加，但振蕩運(yùn)動表現(xiàn)出不規(guī)則特征；振蕩特性受工質(zhì)物性和角度的影響較大，以乙醇為工質(zhì)時(shí)振幅和速度達(dá)到最大，當(dāng)以水為工質(zhì)時(shí)，水平加熱時(shí)未能實(shí)現(xiàn)振蕩。

圖2 脈動熱管的結(jié)構(gòu)（單位：mm）[5]

圖3 脈動熱管不同的運(yùn)行形式[5]

圖4 脈動熱管裝置（單位：mm）[7]

2007年，中國科學(xué)院物理所曲偉等[8]把重點(diǎn)放在截面形狀和傾角對傳熱性能的影響上，他們在鋁板上（63mm×24.7mm×6.6mm）分別加工出水力直徑為1.5mm和1mm的8個(gè)正三角形和正方形通道，在對4個(gè)裝置的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)底加熱時(shí)三角形截面具有更低的熱阻，正方形截面能夠在水平方向上實(shí)現(xiàn)振蕩，水力直徑1.5mm的裝置傳熱性能較好。2009年，臺灣淡江大學(xué)Lin等[9]的研究側(cè)重在工質(zhì)物性對傳熱特性的影響上，他們在聚二甲硅氧烷上（polydimethylsiloxane，PDMS，70mm×65mm× 6mm）加工出內(nèi)徑為2mm的12個(gè)圓形通道（圖5），以甲醇和乙醇為工質(zhì)，在充液率為60%的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在水平方向上的振蕩并運(yùn)行，甲醇可以達(dá)到較低的溫度和熱阻。

圖5 PDMS脈動熱管實(shí)驗(yàn)裝置[9]

上海交通大學(xué)的屈健和吳慧英等[10-12]對微型脈動熱管進(jìn)行了細(xì)致深入的研究。2010年，他們[10]以硅為基體（46mm×19mm×0.5mm）、采用梯形橫截面，分別加工出水力直徑為352μm的14個(gè)通道和394μm的10個(gè)通道的閉合回路，以FC-72為工質(zhì)首次實(shí)現(xiàn)了微型脈動熱管的運(yùn)行，并對管內(nèi)的流型特征進(jìn)行了觀測和分析。2012年，他們[11-12]進(jìn)一步將水力直徑縮小到251μm，如圖6所示，以10個(gè)通道在整體尺寸為28.8mm×14.3mm×0.5mm的硅基上形成閉合回路，進(jìn)一步以水、乙醇、FC-72和R113為工質(zhì)對以上3個(gè)尺寸的脈動熱管進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水和乙醇未能實(shí)現(xiàn)它們的運(yùn)行，僅有R113能使水力直徑為251μm的脈動熱管實(shí)現(xiàn)振蕩并運(yùn)行，不同工況時(shí)管內(nèi)氣液相呈現(xiàn)出泡狀流、塞狀流、環(huán)狀流/半環(huán)狀流的多種流動形式，傳熱與流動的基本特征類似于Khandekar等[5]所總結(jié)出的，但研究者將其分成3個(gè)工作區(qū)間，因此充液率的范圍也有一定差別，并且僅有水力直徑為394μm的脈動熱管可以在水平加熱時(shí)實(shí)現(xiàn)振蕩和運(yùn)行，其他兩個(gè)微型裝置僅能在底加熱時(shí)運(yùn)行。此外，在對三者的對比研究中還發(fā)現(xiàn)水力直徑為394μm的脈動熱管存在以下特征：①熱阻曲線隨加熱功率持續(xù)增加呈現(xiàn)雙V形，即存在兩個(gè)極小值，研究者認(rèn)為這是由于微通道內(nèi)復(fù)雜多變的流型及不規(guī)則的振蕩特性所引起的；②在冷卻段觀察到噴射流型。這兩方面未在以往研究和其他兩個(gè)微型裝置中發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，在其他兩個(gè)微型裝置中未觀測到核態(tài)沸騰和循環(huán)流動現(xiàn)象，膜態(tài)沸騰和氣泡膨脹成為此時(shí)振蕩的動力。

圖6 微型硅基脈動熱管[11]

圖7 三維脈動熱管結(jié)構(gòu)（單位：mm）[14-16]

2012年，韓國Kim等[13]在硅板上（50mm× 15.5mm×1.5mm）加工出水力直徑為0.57mm的10個(gè)矩形通道，以乙醇為工質(zhì)，在最佳充液率條件下對工質(zhì)振蕩頻率和振幅進(jìn)行了研究。與Borgmeyer 等[7]的研究結(jié)論不同，他們發(fā)現(xiàn)了類似正弦曲線的規(guī)律性振蕩特征，該裝置能夠在水平加熱時(shí)實(shí)現(xiàn)振蕩和運(yùn)行，他們還通過理論分析說明顯熱在熱量傳遞過程中起到主要作用。此外，2009—2011年，美國Thompson等[14-17]以提高板式脈動熱管的傳熱性能為目標(biāo)，對兩種衍生形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：一種在鋁板兩面分別加工出相互平行或錯(cuò)列分布的雙層非閉合通道，以增加單位面積的通道數(shù)，見圖7；另一種在閉合回路通道之間增加Tesla閥，以保證氣液塞形成確定方向的流動（圖8），通過對溫度和熱阻的分析證實(shí)了這兩種方式的有效性。

現(xiàn)有研究結(jié)果說明，隨著水力直徑的變化，脈動熱管的傳熱和運(yùn)行特性絕非僅僅是尺寸的簡單放大或縮小。水力直徑縮小時(shí)，管內(nèi)流動阻力顯著增加，因此尺度效應(yīng)對板式脈動熱管至關(guān)重要。目前，在板式結(jié)構(gòu)的研究中，水力直徑通常在1～2mm和250～500μm范圍內(nèi)，研究結(jié)果大多適用于各自的實(shí)驗(yàn)裝置，仍未能形成包括水力直徑等重要參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，因此還需要大量的基礎(chǔ)工作。

圖8 帶Tesla閥的脈動熱管結(jié)構(gòu)（單位：mm）[17]

2 啟動特性

相關(guān)研究已經(jīng)表明，脈動熱管只有在實(shí)現(xiàn)氣液塞振蕩時(shí)才能高效運(yùn)行，此外，啟動時(shí)間和溫度將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[2]，因此啟動特性也成為脈動熱管研究的熱點(diǎn)問題。啟動過程廣義是指從開始加熱到工質(zhì)出現(xiàn)脈動，直至氣液振蕩逐漸變得劇烈，但還沒有形成單向、穩(wěn)定循環(huán)流動的階段。啟動特性同樣受到傾角、充液率、彎頭數(shù)及熱流密度的綜合影響。目前，相關(guān)研究大多圍繞以下兩方面展開。一方面已經(jīng)證實(shí)當(dāng)脈動熱管的彎頭數(shù)超過某一個(gè)臨界值時(shí)，裝置在適當(dāng)?shù)某湟郝屎图訜峁β蕳l件下可以實(shí)現(xiàn)水平和頂加熱時(shí)的啟動和運(yùn)行，同時(shí)傾角對傳熱和流動的影響將大大降低，因此脈動熱管的彎頭數(shù)大于臨界值是保證其在不同角度下實(shí)現(xiàn)啟動的基本條件。目前，不同研究者得出的臨界彎頭數(shù)差別較大，說明它隨結(jié)構(gòu)尺寸和工質(zhì)物性等參數(shù)的變化而不同。如日本Akachi等[18]發(fā)現(xiàn)彎頭數(shù)達(dá)到40時(shí)，他們所采用的管式脈動熱管可以在水平加熱時(shí)啟動并運(yùn)行，當(dāng)彎頭數(shù)達(dá)到80時(shí)可以在任何角度下啟動并運(yùn)行。德國Khandekar等[19]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)徑為2mm的管式脈動熱管在水平加熱時(shí)實(shí)現(xiàn)啟動所需的彎頭數(shù)是16，而對內(nèi)徑為1mm的裝置該值僅為11；同時(shí)，他們[5]在以2mm×2mm的正方形為截面的板式結(jié)構(gòu)中，以20個(gè)彎頭數(shù)實(shí)現(xiàn)了頂加熱時(shí)的啟動和運(yùn)行，但未對臨界值進(jìn)行討論。在前面綜述的板式脈動熱管研究中，傾角的范圍通常在90°～0°，研究者報(bào)道了其裝置能夠在水平加熱時(shí)啟動和運(yùn)行的條件，但都未對板式脈動熱管臨界彎頭數(shù)進(jìn)行討論。

圖9 脈動熱管啟動過程中溫度與時(shí)間的關(guān)系[20]

另一方面是啟動過程的現(xiàn)象和機(jī)理問題，包括冷熱端溫度特征、管內(nèi)傳熱與流動及理論分析。在溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律上，盡管不同研究者[20-23]的實(shí)驗(yàn)裝置與工況有所不同，但對脈動熱管來說均觀察到了相似的兩種過程，如圖9所示：第一種啟動過程溫度先是無波動的單調(diào)增加，在啟動點(diǎn)瞬間顯著降低后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段[圖9(a)]；第二種是指溫度在無波動單調(diào)增加后，出現(xiàn)伴隨小范圍波動的增加過程，此時(shí)斜率略有降低，啟動過程中溫度無瞬間降低現(xiàn)象[圖9(b)]。然而在微小型脈動熱管的研究[11，13]中僅報(bào)道了類似于第一類啟動過程的現(xiàn)象。關(guān)于工質(zhì)的傳熱與流動現(xiàn)象，水力直徑大于1mm的脈動熱管啟動過程中發(fā)生核態(tài)沸騰在相關(guān)研究中已得到證實(shí)[24]，但在微型脈動熱管中并未觀察到，此時(shí)氣塞的生成不是依靠氣泡的聚合，而是由加熱段U形部分液塞的破裂而形成的[10]。

目前對啟動過程的理論分析有兩類。一類是研究者根據(jù)各自的可視化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理的假設(shè)，從而建立數(shù)學(xué)模型，如2007年中國科學(xué)院曲偉等[25]在實(shí)驗(yàn)中觀察到球形氣泡和Taylor氣泡，通過建模提出壁面粗糙度和氣泡形狀是決定產(chǎn)生氣泡所需過熱度的主要參數(shù)，分析得出壁面粗糙度值越大所需的過熱度越小，生成球形氣泡比Taylor氣泡所需的過熱度小，因此它們有助于脈動熱管的啟動。2009年，泰國Soponpongpipat等[26]通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出當(dāng)氣泡破裂多于氣泡膨脹時(shí)，脈動熱管能夠正常啟動，否則會出現(xiàn)局部干涸阻礙啟動過程，并根據(jù)此原則建立了數(shù)學(xué)模型預(yù)測啟動條件。另一類是利用其他模型來解釋啟動特性，如2009年，美國Yang 等[27]通過求解守恒方程獲得脈動熱管啟動過程中溫度、氣液塞位置及速度振蕩特性，能夠在特定工況下與其他研究者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合；2013年，東南大學(xué)陳永平等[22]引入系統(tǒng)識別理論分析啟動過程，得到了工質(zhì)物性和充液率的影響，與他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持了較好的一致性。

以上的研究結(jié)果說明，水力直徑的變化對脈動熱管啟動過程的傳熱和流動機(jī)理產(chǎn)生影響，進(jìn)而使冷熱端溫度的變化呈現(xiàn)不同特征，臨界彎頭數(shù)是決定脈動熱管能否啟動的重要參數(shù)。然而，尚未有研究提出板式脈動熱管的臨界彎頭數(shù)，及其隨水力直徑改變時(shí)的特征。此外，關(guān)于啟動的理論分析才剛剛起步，研究者關(guān)注的重點(diǎn)和運(yùn)用的方法各不相同，這也說明仍需要大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)去豐富，為理論的發(fā)展提供依據(jù)。

3 傳熱極限

盡管脈動熱管是一種高效的傳熱元件，但它的傳熱率受到一定的限制，這是影響系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的另一個(gè)重要因素，因此研究其傳熱極限對實(shí)際應(yīng)用有重要的意義。傳熱極限通常定義為加熱段溫度可以保持穩(wěn)定的最大傳熱率，此時(shí)當(dāng)傳熱率有微小增加量時(shí)，壁溫將急劇升高。相關(guān)研究已經(jīng)報(bào)道了脈動熱管的極限狀態(tài)，研究者普遍認(rèn)為它是由于加熱段液膜干涸所引起的，通常發(fā)生在高熱流密度氣液相呈環(huán)狀流時(shí)，此時(shí)管內(nèi)振蕩作用削弱、循環(huán)作用增加[5，9，11]。目前，針對傳熱極限開展的研究[28-30]均采用了管式結(jié)構(gòu)，主要分析管徑、彎頭數(shù)、工質(zhì)物性、充液率及傾角等參數(shù)的影響，研究結(jié)果給出了各自實(shí)驗(yàn)條件下使傳熱極限到達(dá)最大值的參數(shù)組合，也有研究者根據(jù)各自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了預(yù)測傳熱極限的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[28，30]。

氣液兩相流換熱在眾多工程領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，環(huán)狀流時(shí)液膜干涸所引起的傳熱極限是研究的關(guān)鍵問題之一。目前，已經(jīng)建立起液膜干涸的數(shù)學(xué)模型，對環(huán)狀流氣液界面的沉積、攜帶和蒸發(fā)的質(zhì)量傳遞過程進(jìn)行描述，本文作者對該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)[31]。環(huán)狀流模型在脈動熱管中的合理應(yīng)用可以推動其傳熱極限預(yù)測方法的發(fā)展。

4 應(yīng)用研究

圖10 應(yīng)用于LED冷卻系統(tǒng)的鋁板脈動熱管實(shí)驗(yàn)裝置[39]

目前，有學(xué)者已經(jīng)對脈動熱管在余熱回收[32]、干燥[33]、太陽能集熱[34]、制冷空調(diào)[35]、混合動力汽車[36]等方面的應(yīng)用開展了研究，這些方面大多采用管式結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[37]對此也進(jìn)行了論述。由于板式脈動熱管的結(jié)構(gòu)特征，它的應(yīng)用研究主要集中在電子器件冷卻方面[38-40]，也有研究者將其作為超導(dǎo)磁體[41]和電磁發(fā)射器[42]的冷卻系統(tǒng)以及以陣列形式應(yīng)用于細(xì)胞冷凍[43]。Lin等[39]以丙酮為工質(zhì)，將不同尺寸的鋁板脈動熱管應(yīng)用于LED冷卻，在自然冷卻下可使散熱設(shè)計(jì)功率64W的LED溫度顯著下降，其裝置如圖10所示。Mito等[41]用具有雙層交錯(cuò)式通道的板式結(jié)構(gòu)作為超導(dǎo)磁體的冷卻系統(tǒng)，以氫、氖、氮為工質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在各自工作溫區(qū)的有效導(dǎo)熱系數(shù)分別達(dá)到了850W/(m·K)、2500W/(m·K)和3500W/(m·K)，其裝置如圖11所示。Thompson等[42]將圖7(b)所示的板式結(jié)構(gòu)用于冷卻電磁發(fā)射器，以水為工質(zhì)，在72%充液率和300W加工功率時(shí)，裝置具有15000W/(m·K)的有效導(dǎo)熱系數(shù)；他們依此推算在結(jié)合外部主動冷卻方式后，板式脈動熱管可以滿足系統(tǒng)約10kW的散熱需求。Han等[43]對具有共有冷凝段和蒸發(fā)段的板式脈動熱管在細(xì)胞冷凍方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)構(gòu)示意見圖12；他們在不同充液率（30%～70%）和加熱功率（80～180W）的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在充液率45%和加熱功率120W時(shí)，系統(tǒng)具有最短的冷卻時(shí)間和穩(wěn)態(tài)冷卻溫度。

圖11 應(yīng)用于超導(dǎo)磁體冷卻的板式脈動熱管裝置[42]

圖12 應(yīng)用于細(xì)胞冷凍的板式脈動熱管結(jié)構(gòu)[43]

5 展 望

電子設(shè)備微小型化、集成化的快速發(fā)展，使傳統(tǒng)的冷卻方式已無法滿足其散熱要求。脈動熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好、傳熱能力極佳等特點(diǎn)，成為小空間高熱流密度極具前景的散熱元件，是近年來熱管技術(shù)研究的熱點(diǎn)。目前，對脈動熱管的關(guān)鍵問題及主要影響因素已經(jīng)有了較為清晰的認(rèn)識，但由于其傳熱現(xiàn)象與機(jī)理極為復(fù)雜，因此還處于基礎(chǔ)研究階段，仍需要大量的研究去豐富，逐步量化主要參數(shù)對傳熱性能、啟動特性和傳熱極限的影響，進(jìn)而形成有效的設(shè)計(jì)方法。板式脈動熱管由于結(jié)構(gòu)特征更加易于小型化，作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具競爭力，為此對它的研究還需要解決以下問題。

（1）進(jìn)一步明確微小管徑內(nèi)傳熱、流動和振蕩特性，以及尺度效應(yīng)的影響，建立針對性強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

（2）對影響啟動條件的臨界彎頭數(shù)進(jìn)行深入研究，明確不同尺度下水平加熱和頂加熱的極限尺寸，指導(dǎo)微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

可以預(yù)見，隨著對板式脈動熱管的理解不斷深入，它的應(yīng)用范圍將隨之?dāng)U大，并且在其他熱管無法實(shí)現(xiàn)冷卻的方面發(fā)揮重要的作用。

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Advances in the experimental investigations and applications of flat-plate pulsating heat pipe

JIAO Bo
（Rongcheng College，Harbin University of Science and Technology，Rongcheng 264300，Shandong，China）

Because of its simple structure，low cost，good flexibility，excellent heat transfer performance，easy for microminiaturization，the flat-plate pulsating heat pipe （FP-PHP） is more competitive as cooling system for small devices. However，the effective design technique has not been developed for industry applications. This paper introduced the principle and characteristic of PHP，and reviewed the significant achievements on FP-PHP in recent years. The investigations on heat transfer performance were summarized based on hydraulic diameter，flow pattern and oscillating characteristic inside PHP，the effects of main parameters，and the ways to further improve the heat transfer performances. The studies on start-up characteristic were summarized，including start-up conditions，the relationship between temperature and time during start-up period，and the theoretical analysis. The available conclusions on the mechanism of heat transfer limit were given，and the advances in the applications of FP-PHP were described briefly. Finally，the key problems that have not been solved were discussed，especially the importance of the research on start-up conditions，in order to take the advantage of microminiaturization of FP-PHP.

flat-plate pulsating heat pipe；liquid-gas two phase flow；heat transfer；mass transfer；start-up；limit

TK 124

A

1000-6613（2014）09-2252-09

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.004

2014-02-22；修改稿日期：2014-04-07。

作者及聯(lián)系人：焦波（1981—），女，博士，副教授，從事氣液相流動與換熱、振蕩熱管及微通道換熱研究。E-mail jiaobo@hrbust.edu.cn。