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(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430072）

隨著電子技術(shù)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(shí)設(shè)備的組裝密度也在不斷提高，導(dǎo)致單位面積的熱流密度迅速增加。研究表明，芯片級(jí)的熱流密度達(dá)100W/cm2之高，如果不能采用合理的散熱技術(shù)，必將嚴(yán)重影響電子器件及系統(tǒng)的工作［1］。脈動(dòng)熱管是Akachi在1990年提出的一種新型兩相傳熱熱管，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、傳熱性能好和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)、余熱回收、航空航天等方面展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景［2-4］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從實(shí)驗(yàn)方面和理論方面對(duì)脈動(dòng)熱管進(jìn)行了研究，對(duì)其的認(rèn)識(shí)也在不斷地深入。本文首先介紹了脈動(dòng)熱管的工作原理和結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上總結(jié)了近年來國內(nèi)外在脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)和理論方面的研究進(jìn)展，以期為脈動(dòng)熱管的進(jìn)一步研究提供參考。

1 脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)及工作原理

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

其基本工作原理為：脈動(dòng)熱管的蒸發(fā)段形成了一個(gè)蛇形密閉的真空，工質(zhì)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(dòng)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(nèi)形成氣塞和液塞間隔隨機(jī)分布的震蕩狀態(tài)。最終導(dǎo)致工質(zhì)在加熱段和冷凝段之間震蕩流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。

圖1 脈動(dòng)熱管示意圖

2 脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀

2.1 脈動(dòng)熱管的可視化研究

通過可視化實(shí)驗(yàn)觀察脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工質(zhì)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(dá)到一定程度后工質(zhì)在熱管內(nèi)會(huì)形成定向循環(huán)流動(dòng)。Yang等［8］發(fā)現(xiàn)在充液率為40%～70%時(shí)，低加熱功率時(shí)只有液彈的振蕩運(yùn)動(dòng)，高加熱功率時(shí)逐漸變?yōu)檠h(huán)流動(dòng)。Xu等人［7］發(fā)現(xiàn)工質(zhì)的種類會(huì)影響氣泡在脈動(dòng)熱管內(nèi)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(huì)影響脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，從而影響換熱。

曲偉等［10］在半可視化脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)工質(zhì)的流型與加熱功率有關(guān)，功率較小時(shí)為間歇振動(dòng)，功率較大時(shí)為單向脈動(dòng)流動(dòng)。同時(shí)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(guān)。楊蔚原等人［6］通過可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)充液率、溫差、對(duì)流換熱條件、加熱段與冷卻段的長(zhǎng)度比例、管內(nèi)表面狀況都對(duì)脈動(dòng)熱管的穩(wěn)定性有影響。曹小林等人［11］在可視化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)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(shí)的傳熱極限最高，當(dāng)熱流密度較大時(shí)，通道形狀對(duì)傳熱性能的影響較小。

一些學(xué)者也采用了特殊的探測(cè)技術(shù)對(duì)脈動(dòng)熱管進(jìn)行了可視化研究。Borgmeyer等［12］采用中子成像技術(shù)對(duì)銅管式脈動(dòng)熱管進(jìn)行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)加熱功率會(huì)影響熱管內(nèi)的工質(zhì)脈動(dòng)，隨著加熱功率的增大，工質(zhì)脈動(dòng)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。李志宏等人［13-14］通過電容成像方法，測(cè)量了脈動(dòng)熱管內(nèi)兩相流的液膜厚度，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)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(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)及流型比較復(fù)雜，在不同工況下會(huì)出現(xiàn)多種流型，伴隨著氣泡的生成、膨脹、聚合、凝結(jié)與消失，流型與傳熱性能密切相關(guān)，隨著加熱功率的增加，液彈脈動(dòng)振幅、速度和頻率都會(huì)增加。

2.2 脈動(dòng)熱管性能的影響因素

影響脈動(dòng)熱管性能的主要因素包括管道內(nèi)徑、工作介質(zhì)、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(nèi)徑

Lin等［15］認(rèn)為工作介質(zhì)為水時(shí)，脈動(dòng)熱管的內(nèi)徑應(yīng)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(shí)Lin給出了［18］脈動(dòng)熱管通道直徑的范圍。Rittidech等［19］發(fā)現(xiàn)管徑和工質(zhì)種類會(huì)共同影響脈動(dòng)熱管的傳熱性能，對(duì)于水而言，管徑增大會(huì)強(qiáng)化傳熱，但是對(duì)乙醇則相反。曲偉等［20］采用多種工質(zhì)研究毛細(xì)管對(duì)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毛細(xì)管壁上有空穴時(shí)有利于產(chǎn)生氣泡。

2.2.2 工作介質(zhì)

工作介質(zhì)的熱物性參數(shù)將會(huì)影響脈動(dòng)熱管的傳熱性能。一般而言，低熱流密度的脈動(dòng)熱管應(yīng)采用潛熱較小的工質(zhì)，高熱流密度的脈動(dòng)熱管應(yīng)采用潛熱較大的介質(zhì)［21-22］。Mahalle等人［23］在研究純工質(zhì)和二元混合工質(zhì)對(duì)脈動(dòng)熱管性能影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，丙酮脈動(dòng)熱管傳熱性能較好，但混合工質(zhì)和純工質(zhì)對(duì)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(zhì)混合物作為工質(zhì)進(jìn)行了脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)加熱功率會(huì)影響熱阻的大小，且對(duì)于單一工質(zhì)的脈動(dòng)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(zhì)中，甲醇與水混合物作為工質(zhì)的脈動(dòng)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(dòng)熱管的性能，發(fā)現(xiàn)納米流體熱管更容易形成氣泡，熱負(fù)荷范圍較大。而Ji等［26］發(fā)現(xiàn)圓柱形納米流體脈動(dòng)熱管的傳熱性能最優(yōu)。

2.2.3 充液率

工質(zhì)體積占熱管容積的比例稱為充液率。充液率太小容易導(dǎo)致熱管蒸發(fā)段因?yàn)楣べ|(zhì)不足而發(fā)生燒干，充液率太大則導(dǎo)致生成的氣泡數(shù)量較少，會(huì)削弱熱管的傳熱性能。大量的研究表明［2，27］，脈動(dòng)熱管的充液率范圍是20%～80%，而最佳充液率與脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)尺寸、工質(zhì)類型、加熱功率、加熱位置和傾角有關(guān)。也有研究認(rèn)為在不同的加熱方式下回路型脈動(dòng)熱管對(duì)應(yīng)不同的最佳充液率，底部加熱時(shí)，最佳充液率為45%～55%；頂部加熱時(shí)在35%左右。楊洪海等人［28］則認(rèn)為最佳充液率在55%左右［29］。

2.2.4 橫截面形狀

脈動(dòng)熱管的橫截面形狀不同會(huì)使流動(dòng)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(dòng)熱管的傳熱性能要優(yōu)于圓形流道熱管，正方形脈動(dòng)熱管的傳熱性能要小于正三角形截面，且隨著內(nèi)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(dòng)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(dòng)熱管彎頭數(shù)的多少直接影響管內(nèi)氣液兩相分布，從而影響傳熱性能。Charoensawan等［16］發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)熱管的彎頭數(shù)存在一個(gè)臨界值，且與熱管內(nèi)徑、工質(zhì)種類及熱功率有關(guān)，而Maydanik等［34］發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈動(dòng)熱管的水力直徑為0.5～3mm時(shí)，彎管數(shù)應(yīng)大于10。

傾角和加熱方式都對(duì)脈動(dòng)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(dòng)熱管在豎直放置底部加熱的情況下運(yùn)行情況最好，此時(shí)理想的傾角為70～90°，水平放置時(shí)則不能很好地運(yùn)行。徐進(jìn)良等［36］以FC-72為工質(zhì)，研究了傾角對(duì)紫銅脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾角為0°時(shí)，傳熱性能很差；傾角小于10°時(shí)工作極不穩(wěn)定；而在30～90°范圍內(nèi)傾角對(duì)傳熱性能影響不大。

綜上所述，有關(guān)脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)比較豐富，但由于實(shí)驗(yàn)條件及研究對(duì)象的差異，不同學(xué)者對(duì)其認(rèn)識(shí)有一些共性的結(jié)論，但也有少許的差異。林梓榮等［29］認(rèn)為充液率、加熱方式、工質(zhì)物性、管徑是影響脈動(dòng)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(dòng)熱管的理論研究現(xiàn)狀

脈動(dòng)熱管的運(yùn)行機(jī)理非常復(fù)雜，導(dǎo)致其理論分析及數(shù)值模擬均比較困難，故不少學(xué)者都針對(duì)脈動(dòng)熱管做出了多方面的理論研究。能夠反映熱管內(nèi)傳熱特性的模型主要有：彈簧-質(zhì)量-阻尼模型、VOF模型、質(zhì)量動(dòng)量及能量控制方程模型、混沌模型和半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

Ma等［37］在彈簧-質(zhì)量-阻尼模型基礎(chǔ)上對(duì)脈動(dòng)熱管中的液彈脈動(dòng)和溫差進(jìn)行了研究，建立了汽液運(yùn)動(dòng)方程，獲得了描述液塞位移的分析解，同時(shí)預(yù)測(cè)得到了冷熱段的溫差，發(fā)現(xiàn)液彈脈動(dòng)強(qiáng)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(rèn)為汽彈的作用類似于一個(gè)線性彈簧，且顯熱傳遞起主導(dǎo)作用。Wong等［39］采用多彈簧-質(zhì)量-阻尼模型簡(jiǎn)化了熱管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，能較好地反應(yīng)工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特征，但未能考慮相變和傳熱。此類模型都對(duì)脈動(dòng)熱管做了很大簡(jiǎn)化，沒有充分考慮傳熱及相變，難以準(zhǔn)確描述真實(shí)的物理現(xiàn)象。

Lin等［40］使用VOF和混合模型對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)的兩相流進(jìn)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(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程，并綜合考慮表面張力及相變傳熱，對(duì)開放及閉合回路脈動(dòng)熱管建立了數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)熱管主要通過液彈脈動(dòng)的顯熱傳熱。賈力等［42］采用質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程建立了汽塞液塞數(shù)學(xué)模型來描述工質(zhì)在熱管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)管徑及初始?jí)毫捎绊懸喝袷幏?。Yuan等［43］建立了液彈和汽彈的流動(dòng)及傳熱模型，發(fā)現(xiàn)液彈的脈動(dòng)可以看作是一個(gè)自由系統(tǒng)的強(qiáng)迫阻尼振動(dòng)，重力對(duì)其的影響很小，且液彈的初始位移對(duì)振幅和頻率都無影響。

Xu等［44］在研究脈動(dòng)熱管各個(gè)管段溫度分布的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)熱管可以看作一個(gè)混沌系統(tǒng)，但其自相關(guān)函數(shù)隨時(shí)間的下降表明，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)的能力是有限的。Wu等［45］發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)的混沌程度比較弱，并從理論上給出了工質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因。翁建華等［46］采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能進(jìn)行了研究，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間吻合程度較高，但模型的通用性尚有待驗(yàn)證。Chang等［47］通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型揭示了脈動(dòng)熱管在不同工況下傳熱的非線性特征。Lee等［48］提出了一個(gè)針對(duì)帶有多個(gè)液塞和汽塞的脈動(dòng)熱管的非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測(cè)熱管中脈動(dòng)的不穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)結(jié)果較好，但對(duì)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(dòng)熱管穩(wěn)態(tài)自激循環(huán)流動(dòng)運(yùn)行機(jī)制的物理模型和數(shù)學(xué)模型，在綜合考慮傳熱、汽液容積流率、密度、運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力和阻力的基礎(chǔ)上，對(duì)傳熱和流動(dòng)進(jìn)行了耦合求解。研究發(fā)現(xiàn)潛熱傳遞決定了循環(huán)流動(dòng)速度，顯熱傳遞及流動(dòng)速度共同決定了凈換熱量的大小。同時(shí)還建立了［20］脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和運(yùn)行的物理數(shù)學(xué)模型，討論了尺度效應(yīng)是如何影響脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和運(yùn)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(zhì)的匹配選擇等可以實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

也有學(xué)者通過熱力學(xué)分析［50］，對(duì)簡(jiǎn)單回路脈動(dòng)熱管的系統(tǒng)耗散功和系統(tǒng)體積功進(jìn)行了研究，獲得了脈動(dòng)熱管運(yùn)行的熱平衡條件，發(fā)現(xiàn)耗散功是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。

同時(shí)近年來也有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出一些半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測(cè)脈動(dòng)熱管的運(yùn)行。傅烈虎等［51］采用應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)原理，在對(duì)平板型脈動(dòng)熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的偏差在5%以內(nèi)。Rittidech等［19，52］建立了以管徑、充液率、工質(zhì)、止回閥比例為參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了脈動(dòng)熱管垂直或水平放置時(shí)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(jié)出了預(yù)測(cè)臨界熱流密度的關(guān)聯(lián)式。

綜上所述，由于脈動(dòng)熱管的運(yùn)行受到了很多因素的影響，故各種模型都很難準(zhǔn)確的描述脈動(dòng)熱管的運(yùn)行機(jī)理，每種模型均在某方面有較好地指導(dǎo)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(guān)于脈動(dòng)熱管的理論研究還需進(jìn)一步增強(qiáng)。

4 脈動(dòng)熱管技術(shù)展望

脈動(dòng)熱管作為一種新型高效技術(shù)，由于其良好的傳熱性能受到了國內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注，呈現(xiàn)出了良好的發(fā)展勢(shì)頭。目前針對(duì)脈動(dòng)熱管的研究，主要是通過多工況實(shí)驗(yàn)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(jī)理，并建立數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析。通過不斷的努力，對(duì)脈動(dòng)熱管的認(rèn)識(shí)正在不斷深入，也開始逐漸投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。但要實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)熱管的大規(guī)模應(yīng)用，還有一些問題需要解決。（1）應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱機(jī)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(jī)理，指導(dǎo)脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)與運(yùn)行。（2）應(yīng)加強(qiáng)對(duì)微型脈動(dòng)熱管的理論研究。微電子器件的尺度越來越小，從而對(duì)脈動(dòng)熱管的尺寸也提出了相關(guān)限制，但這方面的研究很少，從而限制了脈動(dòng)熱管在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。（3）加強(qiáng)脈動(dòng)熱管的應(yīng)用研究。如在不用條件下應(yīng)用脈動(dòng)熱管時(shí)，如何選擇脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)、尺寸、工質(zhì)類型等以及脈動(dòng)熱管的加工，在這方面需要積累更多的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)來為脈動(dòng)熱管的應(yīng)用提供依據(jù)。

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