劉聰，閆春杰，孫述澤，曲家闖

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

低溫脈動熱管的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

劉聰，閆春杰，孫述澤，曲家闖

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

脈動熱管是一種性能優(yōu)良的傳熱元件，在電子設(shè)備散熱、超導(dǎo)冷卻、能量收集等方面具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)低溫脈動熱管的原理和特點，分析了中高溫脈動熱管和低溫脈動熱管的不同?？偨Y(jié)了低溫脈動熱管理論和實驗的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，指出目前低溫脈動熱管研究存在的問題，提出了未來的研究和發(fā)展方向。

低溫脈動熱管；超導(dǎo)冷卻；電子設(shè)備散熱

0 引言

低溫制冷機（冷源）與被冷卻對象（如超導(dǎo)磁體等）之間的高效熱連接是制約制冷機應(yīng)用的突出問題之一。通過制冷機直接對超導(dǎo)磁體進行冷卻，操作簡單、系統(tǒng)也更加簡化。通常采用銅、鋁等高熱傳導(dǎo)率的金屬材料來連接制冷機，傳遞超導(dǎo)磁體線圈產(chǎn)生的熱量。但是，銅、鋁等材料的熱傳導(dǎo)率會隨著工作溫度的升高而降低，導(dǎo)致傳熱效果下降。為了解決此問題，一些學(xué)者提出用一種高效傳熱元件低溫脈動熱管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連接；經(jīng)過實驗證實，脈動熱管比常規(guī)金屬材料具有更大的傳導(dǎo)率，在小溫差的條件下，有很高的傳熱效率。

脈動熱管（Pulsating HeatPipe或Oscillating Heat Pipe，PHP或OHP）是在20世紀(jì)90年代由日本科學(xué)家Akachi[1]提出的一種新型高效的傳熱元件。脈動熱管是蛇形的無芯毛細(xì)金屬管反復(fù)彎折，形成首尾相連接的多個平行管路，對管內(nèi)抽成真空后充入一定量的工作流體，工質(zhì)在表面張力的作用下自發(fā)形成氣柱和液塞相間分布的結(jié)構(gòu)。脈動熱管通常分為蒸發(fā)段（加熱段）、冷凝段（冷卻段）和絕熱段。在脈動熱管蒸發(fā)段，隨著熱量的輸入，氣柱受熱膨脹，氣體內(nèi)部壓力升高，氣體推動液柱向冷凝段運動；在脈動熱管的冷凝段，氣體受到冷凝作用導(dǎo)致氣體體積收縮，內(nèi)部壓力減小。由于相鄰兩個管道之間的壓力不同，使得液柱在冷凝段被推回到蒸發(fā)段，補充蒸發(fā)段加熱時的工作流體，形成回流，從而使熱量在蒸發(fā)段與冷凝段之間傳遞。

脈動熱管和普通熱管相比具有的優(yōu)點是[2-5]：首先，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高；脈動熱管一般不采用毛細(xì)芯，制造工藝簡單；在合適充液率下，熱流密度達(dá)到很高但不會發(fā)生干燒，保證了脈動熱管的可靠性。其次，傳熱性能好，同體積熱流密度大。脈動熱管加熱段工質(zhì)的供應(yīng)具有自適應(yīng)機制，隨著熱負(fù)荷的增大，熱流密度不斷增大，蒸發(fā)很快的時候，氣泡膨脹與破裂也同樣很快，振動加強，強迫液態(tài)工質(zhì)回到加熱段，使其傳熱能力顯著增強。再次，結(jié)構(gòu)多樣，適應(yīng)能力強。脈動熱管可以彎曲成任意形狀，也可以有多個加熱和冷卻部位，這使其具有很強的適應(yīng)性，拓展了應(yīng)用領(lǐng)域。因此，脈動熱管被視為目前解決微小空間高熱流密度的散熱方案中一種很有前途的傳熱元件，將在深空探測、電子設(shè)備的散熱、超導(dǎo)冷卻、能量收集、溫度保持等多個方面和領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，對于脈動熱管的研究主要分為實驗研究和理論研究。實驗方面主要集中研究影響脈動熱管傳熱性能的因素，如充液率（工質(zhì)體積占熱管體積的比例）、傾斜角度、工作流體的性能、工作溫度等；理論方面主要集中在對脈動熱管的仿真研究。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，對于常溫區(qū)脈動熱管的研究已經(jīng)取得了一定的進展。但低溫工質(zhì)（H2、Ne、N2、He等）熱物性與常溫工質(zhì)相差很大，特別在黏度、接觸角、氣化潛熱等方面，導(dǎo)致常溫區(qū)的實驗和理論成果無法直接應(yīng)用到低溫脈動熱管上，因此亟需開展對于低溫脈動熱管的研究。對國內(nèi)外低溫脈動熱管的研究現(xiàn)狀進行了調(diào)研，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)，并與常溫脈動熱管進行比較，提出了未來研究和發(fā)展的方向。

1 國外的實驗研究

最早研究低溫脈動熱管的是美國哥倫比亞密蘇里州大學(xué)Xu等[6]，2008年為了實現(xiàn)細(xì)胞玻璃化的超低溫保存，提出了利用低溫脈動熱管技術(shù)冷卻細(xì)胞渾濁液的方法。實驗采用氮氣作為工質(zhì)，得到脈動熱管的傳熱系數(shù)為2×105W/m2·K，冷卻速率可以達(dá)到107K/min。2009年，該大學(xué)的Jiao等[7]進行了液氮溫區(qū)低溫脈動熱管的實驗研究。脈動熱管由8個彎頭的銅管所組成，銅管內(nèi)徑1.65 mm，外徑3.18 mm。實驗系統(tǒng)先浸泡在液氮中進行預(yù)冷，直至測試段達(dá)到液氮的飽和溫度，然后打開真空泵，管內(nèi)充注液氮，充液率按照充液前后的質(zhì)量差來計算。預(yù)冷后，給一定加熱量，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，再增大加熱量。

實驗結(jié)果表明，隨著加熱功率的增大，脈動熱管從一個穩(wěn)態(tài)發(fā)展到不穩(wěn)態(tài)，直到一個新穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，過程可以概括為三個部分：不穩(wěn)態(tài)、瞬時穩(wěn)態(tài)、新穩(wěn)態(tài)；在穩(wěn)態(tài)下，加熱段和冷卻段的溫差基本保持不變。在低加熱功率時，溫差與加熱功率基本為線性關(guān)系，加熱功率繼續(xù)增大時，溫差增大緩慢。分析原因是，當(dāng)加熱功率過大時，脈動熱管中氣體份額過大，會減小蒸發(fā)傳熱面積，燒干面積增大引起熱阻增大，進而傳熱系數(shù)進一步減小。

2010年，日本國立大學(xué)的Mito等[8]制作了一種用于超導(dǎo)磁體線圈冷卻的低溫脈動熱管。脈動熱管由熱導(dǎo)率很低的不銹鋼所組成，外徑為1.59 mm，內(nèi)徑為0.78 mm，由10個彎頭彎折而成，加熱段和冷卻段用8 mm×30 mm的銅塊來傳遞熱量。通過對充液率和加熱量的改變，對H2、Ne、N2三種工質(zhì)做一系列的實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 脈動熱管的傳熱特性表Table1 Heat transport characteristicsof OHP

與文獻(xiàn)[7]中的實驗數(shù)據(jù)進行對比，同樣以液氮為工質(zhì)，[7]中的最大熱傳導(dǎo)率為44 000 W/m·K，而文中的熱傳導(dǎo)率為18 000 W/m·K。這種差異的產(chǎn)生不是由脈動熱管加熱段和冷卻段的溫度梯度所決定，而是兩端的熱阻大小所決定。不銹鋼材料和銅塊的使用，導(dǎo)致了高熱阻，同時也降低了脈動熱管的熱傳導(dǎo)率。

Mito等[9-10]又對脈動熱管的結(jié)構(gòu)進行改良和優(yōu)化。中間加熱、兩端冷卻的方式，如圖1所示，對于實驗臺的安裝更加方便；平板式脈動熱管的熱耦合性更好，如圖2所示。通過實驗發(fā)現(xiàn)，這兩種結(jié)構(gòu)的脈動熱管傳熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的脈動熱管。

圖1 改良后兩端冷卻中間加熱的脈動熱管圖Fig.1 Modified-typeOHPw ith both ends cooled and the centerheated

圖2 平板型脈動熱管圖Fig.2 Base platesw ith groovesand cover plate for the flatplateOHP

2012年，法國國家原子能中心的Bonnet等[11]設(shè)計了一套用于給脈動熱管加熱段預(yù)冷的裝置，并在液氦溫區(qū)脈動熱管上成功應(yīng)用。管子是由Cu/Ni兩種材料組成，每一端被彎折成5個彎頭，管子的內(nèi)徑大約為0.5 mm。在水平位置下，加熱段從60 K降到4.2 K的時間大約為9 h，而采用主動預(yù)冷后，時間下降到1.7 h。

Gully對脈動熱管不同傾角下（0~40°）的最大傳熱量進行研究。結(jié)果表明，在水平時，傳輸熱量最小，僅為15 mW。當(dāng)傾斜角度增大時，最大傳輸熱量也增大；當(dāng)角度為40°時，可達(dá)145 mW。

2 國內(nèi)實驗研究

2014年，中國科學(xué)院的Li等[12]對液氮脈動熱管進行了實驗研究。脈動熱管是由5個彎頭的毛細(xì)管組成，加熱段一側(cè)有一個T型的連接，用于氮氣的充裝。為了測試脈動熱管的高熱傳導(dǎo)率，避免熱管材料對傳熱性能的影響，采用熱傳導(dǎo)率較低的不銹鋼材料。

實驗結(jié)果表明，隨著加熱功率的增加，壓力和溫度迅速增加，在5 min內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。繼續(xù)增加功率，脈動熱管達(dá)到燒干的情況，如圖3所示。此時溫度急劇上升，壓力急劇下降。這是因為加熱量增大，加熱段的工作液體停止脈動，表現(xiàn)為氣泡減少，壓力降低，工作液體停留在冷卻段，不向加熱段移動。實驗又從水平放置、底部加熱和頂部加熱三種方式下，對傳熱系數(shù)和溫差的關(guān)系進行了研究。實驗獲得，最好的方式是底部加熱的方式，這種方式擁有最高的壓力和最大的傳熱系數(shù)。

2015年，中國科學(xué)院的Xu等[13]設(shè)計了一套用G-M制冷機作為冷源，以液氦為工作液體的脈動熱管，并對不同的加熱量、不同的充液率、不同的傾斜角度分別進行了研究。在充液率為70.8%，對不同傾斜角度分別進行測試。結(jié)果表明，在水平的位置下，脈動熱管幾乎不能啟動；在15°的位置時，傳熱系數(shù)在5 800～11 500 W/m·K；在30°的位置時，傳熱系數(shù)大約為4 800～13 000 W/m·K。這說明對于液氦溫區(qū)的脈動熱管，重力對其啟動起著很重要的作用。

圖3 脈動熱管燒干曲線圖Fig.3 The dry-outof OHP

實驗發(fā)現(xiàn)，在相同的低負(fù)荷下，充液率由54%提高到70.8%的過程中，傳熱系數(shù)是下降的。這是因為氣泡形成很少，大多數(shù)流體是液體，氣泡和液塞的驅(qū)動振蕩效果沒有形成。當(dāng)充液率下降到24.6%時，傳熱系數(shù)也下降，這是因為存在少量液氦，而大多數(shù)為氣泡，驅(qū)動振蕩效果也沒有形成。這說明，要想使脈動熱管中產(chǎn)生持續(xù)的振蕩效果，氣泡和液塞數(shù)量要保持在合適的范圍。

浙江大學(xué)制冷與低溫研究所的甘智華[14]對液氫溫區(qū)的脈動熱管進行詳細(xì)研究，搭建實驗臺。該實驗臺可以實現(xiàn)多參數(shù)的控制，如彎折數(shù)、絕熱段長度、傾角、充液率及加熱功率等，從而研究這些參數(shù)對脈動熱管傳熱性能的影響。實驗結(jié)果表明，液氫溫區(qū)脈動熱管在達(dá)到起振點之后，隨著加熱功率的增大有效熱傳導(dǎo)率增大，當(dāng)達(dá)到一個最大值之后有效熱傳導(dǎo)率隨著加熱功率的增大而減小。在充液率34.22%時，脈動熱管在加熱功率為1.28 W時具有最高的有效熱導(dǎo)率；在充液率56.34%的條件下，加熱功率為2.205 W時具有最大有效熱傳導(dǎo)率。在相同的加熱功率下，34.22%充液率的脈動熱管較56.34%充液率的脈動熱管具有更好的傳熱性能。

3 低溫脈動熱管的理論研究

目前對于低溫脈動熱管的研究主要集中在實驗方面，在理論研究方面比較少。一方面是因為脈動熱管傳熱機理比較復(fù)雜，無論是常溫還是低溫，都要考慮流體動力學(xué)和相變復(fù)雜的相互影響；另一方面是因為對于低溫的脈動熱管來說，理論的研究需要建立在實驗的基礎(chǔ)上，需要實驗數(shù)據(jù)來支撐和驗證，而對低溫脈動熱管實驗要求比較高，實驗設(shè)備比較復(fù)雜，這也限制了低溫脈動熱管理論的發(fā)展。

2012年日本國立綜合研究大學(xué)的Natsume等[15]和國立聚變科學(xué)研究所的Tamura等通過實驗數(shù)據(jù)，對常溫脈動熱管經(jīng)驗公式進行了修正。Khandekar等[16]在室溫下，使用水、乙醇、R123在充液率為50%下獲得的半經(jīng)驗公式為：

式中：q為加熱段的熱流密度；N為彎頭數(shù)；Kα為卡門常數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；Jα為雅各布數(shù)；β為傾斜角度；f為摩擦系數(shù)；ΔPsat為加熱段和冷卻段的飽和壓力差；ρ為液體密度；Dj為脈動熱管的內(nèi)徑；μ為液體黏度；Le為加熱段的長度；Lc為冷卻段的長度；La為絕熱段的長度。

經(jīng)過修正，得到低溫脈動熱管的半經(jīng)驗公式為：

現(xiàn)在普遍采用一種數(shù)值模擬的方法對脈動熱管選取控制單元，對其進行質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒的分析，建立相應(yīng)的微分方程組，并通過數(shù)值方法計算求解。多采用流體力學(xué)仿真軟件，基于VOF方法，建立相關(guān)的數(shù)值分析，研究管內(nèi)的流動狀況以及溫度壓力分布等[17]。

4 結(jié)束語

脈動熱管作為一種新型高效傳熱技術(shù)，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)展勢頭。低溫脈動熱管的研究剛剛起步，考慮到低溫脈動熱管工質(zhì)的特殊性，通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研，并與常溫脈動熱管作為比較，提出三個方面的建議：

（1）國內(nèi)外對于低溫脈動熱管的實驗研究主要采用H2、Ne、N2、He這幾種氣體。可增強對其他種類工質(zhì)進行實驗研究，并且使運行溫度涵蓋更多的溫區(qū)。同時，也可以參照常溫脈動熱管，在工質(zhì)中摻入納米顆粒，研究對傳熱性能的影響。目前，低溫脈動熱管的毛細(xì)管多采用毛細(xì)銅管或者毛細(xì)不銹鋼管，無法實現(xiàn)可視化。為了解工質(zhì)脈動的情況以及氣柱和液塞的分布情況，可以加強可視化研究。對于低溫系統(tǒng)而言，很小的熱量散失會帶來很大的溫度波動，有時甚至影響到能否獲得低溫環(huán)境，影響整個系統(tǒng)的正常工作。所以對漏熱問題的研究不可忽視；

（2）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(dǎo)低溫脈動熱管的設(shè)計與運行?？蓞⒖贾懈邷孛}動熱管的理論研究模型，充分考慮低溫工質(zhì)和中高溫工質(zhì)的不同，分析主要參數(shù)對低溫脈動熱管的傳熱與流動特性的影響，及驅(qū)動力、重力、毛細(xì)滯后阻力、氣柱及液塞運動等在低溫脈動熱管運行中的作用，深入探索低溫脈動熱管的運行機理；

（3）增加對低溫脈動熱管應(yīng)用的研究。目前，有些學(xué)者對低溫脈動熱管的應(yīng)用做了嘗試，比如把脈動熱管用于超導(dǎo)磁體的線圈進行冷卻[8]和用于生物細(xì)胞玻璃化[18]，但是這些嘗試僅僅停留在實驗室階段，沒有形成產(chǎn)品。建議在理論研究和實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，加大應(yīng)用研究的力度，從而實現(xiàn)低溫脈動熱管的大規(guī)模應(yīng)用。

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THECURRENT SITUATION AND PROSPECTSOFCRYOGENIC OSCILLATING HEAT PIPE

LIU Cong，YAN Chun-jie，SUN Shu-ze，QU Jia-chuang
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Cryogenic oscillating heatpipewas considered as a high performance heat transfer unit，and was suited for cooling superconductingmagnet，electronic devices and harvesting energy.The principle and characteristics of cryogenic oscillating heatpipewere illustrated，and the differences between cryogenic andmedium-high temperature oscillating heat pipeswere analyzed.The developmentof cryogenic oscillating heatpipe on the theoreticalmodel and experimentwas reviewed.and some existing technicalproblemsbased on research statuswere pointed out，some future development requirementsof cryogenic oscillating heatpipewere also proposed.

cryogenic oscillating heatpipe；cooling superconductingmagnet；cooling electronic device

TB61

A

1006-7086（2017）03-0131-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.002

2017-03-16

劉聰（1987-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要從事空間制冷技術(shù)研究。E-mail：costaliugame@163.com。