楊金鋼, 鈕鑫鑫

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130118)

平板微熱管是通過(guò)微小空間的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)的蒸發(fā)冷卻完成相變導(dǎo)熱的傳熱器件。1965年，完整的熱管理論由Cotter率先提出，1984年他在第五屆國(guó)際熱管會(huì)議上又首次提出了“微型熱管”的概念，為后來(lái)熱管的性能分析和設(shè)計(jì)研究奠定了理論基礎(chǔ)[1]。關(guān)于微型熱管的定義主要用兩種，一種是Peterson[2]將之定義為熱管的水力半徑大于或者等于熱管中液體彎月面的曲率半徑，而Chen等[3]則將其定義為當(dāng)Bond數(shù)小于或者等于2的熱管。查閱以前的研究成果，發(fā)現(xiàn)關(guān)于槽道式吸液芯熱管、網(wǎng)狀式吸液芯熱管、燒結(jié)式吸液芯熱管等幾種微熱管陣列曾展開過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究。Khrustalev等[4-5]于1994年提出了一個(gè)詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型用于研究微熱管(micro heat pipe，MHP)的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，同時(shí)研究了適用于高熱流密度的槽道芯熱管，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱管運(yùn)行溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，熱管在徑向可承受的熱流密度為200 W/cm2，軸向上可承受熱流密度為150 W/cm2。Peterson等[6]于1996年提出了預(yù)測(cè)三角形槽中最小彎月面半徑和最大傳熱的數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，微熱管的傳熱能力與液動(dòng)脈頂角、液流接觸角、熱管長(zhǎng)度、氣流速度和特性以及傾斜角密切相關(guān)。同時(shí)，獲得最大傳熱能力微型熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，三角形凹槽的水力直徑等于0.484 mm，凹槽達(dá)到6.79 W/cm2。2000年，Wang等[7-8]研究了以銅為熱管材質(zhì)的燒結(jié)銅粉微熱管陣列特性，得到平均傳熱效率為12.4 W/(m2·K)。2004年，Launay等[9]采用擴(kuò)散焊接工藝制作出銅/水線板MHP陣列獲得了高質(zhì)量的邊角，該器件的熱性能與空MHP陣列相比，其有效熱導(dǎo)率提高了1.3倍。但目前該器件對(duì)應(yīng)的毛細(xì)管極限的最大熱通量較低，為0.61 W/cm2。2012年，Lefèvre等[10]在槽道表面添加一層或多層銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，采用單層結(jié)構(gòu)的銅網(wǎng)芯熱管毛細(xì)極限低于雙層結(jié)構(gòu)的熱管毛細(xì)極限。2014年，王宏燕等[11]基于理論研究計(jì)算新型平板微熱管陣列(micro heat pipe array，MHPA)的工作機(jī)理，通過(guò)建立分區(qū)微元模型分析熱管冷凝段內(nèi)部工質(zhì)的工況，得出了微槽內(nèi)冷凝液膜的厚度、溫度場(chǎng)分布及質(zhì)量流量等物理參數(shù),同時(shí)擬合得到了冷凝段內(nèi)部飽和溫度的表達(dá)式。

微熱管由于其優(yōu)良的傳熱性能和等溫性能被廣泛應(yīng)用于電子器件散熱、太陽(yáng)能空氣集熱器、高效換熱器等領(lǐng)域。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，通常需要衡量熱管的傳熱性能、啟動(dòng)性能以及等溫性能。臨界傳熱量是衡量微熱管傳熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[12]。而微熱管極限傳熱量的是由傳熱極限的最小值決定的[13]。影響傳熱極限的因素有很多，直接相關(guān)的是它的自身結(jié)構(gòu)，包括熱管尺寸、形狀、蒸發(fā)段與冷凝段長(zhǎng)度、管內(nèi)工質(zhì)、工作溫度和熱管的傾角等，其次如毛細(xì)力、沸騰冷凝現(xiàn)象、壓降等。同時(shí)隨著加熱功率的增加，熱管的熱阻是下降的，熱管主要的熱阻由蒸發(fā)段與冷凝段兩部分熱阻組成[14]?；诖耍F(xiàn)通過(guò)對(duì)近些年關(guān)于微熱管技術(shù)的性能研究成果加以回顧和總結(jié)，并以此為基礎(chǔ)展望未來(lái)該領(lǐng)域發(fā)展可能關(guān)注的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。

1 平板微熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理

微熱管陣列(MHPA)技術(shù)是一種結(jié)合微尺度傳熱傳質(zhì)、相變傳熱傳質(zhì)、微尺度內(nèi)高壓條件下復(fù)雜流動(dòng)等基礎(chǔ)理論及材料與加工、封裝工藝等工藝技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)。平板微熱管陣列作為一種具有超導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱元件，與常規(guī)的熱管相比優(yōu)勢(shì)明顯，具有低熱阻高導(dǎo)熱率、面接觸換熱面積大、可靠性強(qiáng)、承壓能力高等特性。平板微熱管的系統(tǒng)組成包括鋁制外殼和內(nèi)部充裝的少量工質(zhì)溶液組成，陣列內(nèi)部布置有多根獨(dú)立運(yùn)行的微熱管，每根微細(xì)熱管內(nèi)還有強(qiáng)化傳熱的微翅構(gòu)造，各微通道并聯(lián)組成微熱管陣列。這樣的結(jié)構(gòu)增大了熱管直接受熱及吸熱面積，由于微細(xì)熱管的水力直徑只有1.0 mm左右，管壁的承壓能力極高，所以不易發(fā)生泄漏。此外，因每個(gè)微細(xì)熱管為獨(dú)立工作，所以當(dāng)其中一部分熱管損壞后，其他微細(xì)熱管仍能維持換熱器的正常運(yùn)行，可靠性較高[15]。

平板微熱管主要由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三部分(圖1)循環(huán)結(jié)構(gòu)組合，蒸發(fā)段表面吸收外界熱量并將熱量傳遞到熱管壁面，液相工質(zhì)從壁面吸收熱量后由液態(tài)蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)，在管內(nèi)兩端壓差的作用下氣體由蒸發(fā)段流向冷凝段。蒸汽在冷凝段放熱后冷卻并依靠毛細(xì)力或重力實(shí)現(xiàn)回流，如此往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)高效的相變換熱過(guò)程。

Qin為蒸發(fā)段管壁的吸熱量;Qout為冷凝段管壁的放熱量圖1 微熱管工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of micro channel

2 平板微熱管傳熱性能分析

平板微熱管相對(duì)于其他熱管的明顯不同是它的尺寸較小，管內(nèi)不添加吸液芯結(jié)構(gòu)，易于加工推廣使用，其中毛細(xì)極限和沸騰極限是熱管的兩個(gè)重要極限，平板微熱管的傳熱極限主要在于毛細(xì)極限。毛細(xì)作用力和工作流體的數(shù)量對(duì)它的熱性能具有顯著影響，而毛細(xì)作用力和工作流體的數(shù)量又是由平板微熱管結(jié)構(gòu)決定[16]。為提高微熱管的傳熱特性，一方面從管內(nèi)氣液流動(dòng)“推動(dòng)力”著手，另一方面忽略管壁的導(dǎo)熱效應(yīng)，則熱管傳熱以對(duì)流換熱為主。所以弄清管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱特性對(duì)強(qiáng)化換熱研究的深入至關(guān)重要。主要從熱管的通道結(jié)構(gòu)形狀尺寸、充裝工質(zhì)及其充液率和工作狀態(tài)等幾方面，對(duì)平板微熱管傳熱性能的影響因素研究進(jìn)行總結(jié)，并針對(duì)其性能預(yù)測(cè)研究發(fā)表展望。圖2為研究思路和確定的影響微熱管換熱的指標(biāo)。

圖2 平板微熱管主要影響因素指標(biāo)圖與研究思路Fig.2 The index diagram and research ideas of the main influencing factors of the flat micro heat pipe

2.1 微槽結(jié)構(gòu)的影響與研究

毛細(xì)壓力是微型熱管工質(zhì)液體回流的驅(qū)動(dòng)力，可作為平板微熱管傳熱性能的評(píng)定指標(biāo)，管內(nèi)部的毛細(xì)壓力越大，微熱管傳熱性能越好[17]。回流所需的毛細(xì)力是由管內(nèi)壁的尖銳邊角區(qū)或者蒸汽通道周邊的液縫的彎月面產(chǎn)生的軸向槽道壓力差提供的?；仡櫼酝奈⒉劢Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般是基于外形尺寸、受重力影響的長(zhǎng)度和總的熱量轉(zhuǎn)移等因素[18]。常見的蒸汽通道截面結(jié)構(gòu)包括三角形、矩形、正方形、梯形、“Ω”形等[19](圖3)。由于微熱管傳熱循環(huán)過(guò)程主要受管內(nèi)通道的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)壓力，而其大小與有效毛細(xì)半徑和固液接觸角有關(guān)；微熱管表面潤(rùn)濕性對(duì)傳熱性能也有影響，表面潤(rùn)濕性與溝槽寬度和深度、表面固液接觸角、粗糙度相關(guān)聯(lián)。主要圍繞這些因素對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)展開分析。其中，表1梳理了近期關(guān)于微熱管陣列槽道截面實(shí)驗(yàn)和理論研究成果。

a為截面高度;b為截面寬度;δ為管壁材料厚度圖3 微熱管蒸汽通道橫截面示意圖[19]Fig.3 Schematic diagram of the cross section of the micro heat pipe[19]

表1 微熱管陣列槽道截面實(shí)驗(yàn)研究研究進(jìn)展Table 1 Progress in the experimental study of the channel cross-section of micro thermal tube array

另外，Singh[31]提出了一種通過(guò)軸向改變凹槽頂角來(lái)提高多邊形微熱管毛細(xì)特性和傳熱能力的新方法。Ng等[32]的研究結(jié)論表明摻入碳納米管涂層(carbon nanotube，CNTs)能引起微熱管陣列熱性能增強(qiáng)。

微熱管內(nèi)部的毛細(xì)力、兩端壓差梯度、管壁材料表面粗糙度、固液接觸角與潤(rùn)濕性等均與管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)與穩(wěn)定傳熱特性存在關(guān)聯(lián)[33]。毛細(xì)力、兩端壓差梯度作為管內(nèi)氣液流動(dòng)的“推動(dòng)力”，直接影響熱管換熱，管長(zhǎng)、管壁、軸向熱量3種因素共同作用于臨界傳熱量，管內(nèi)有效換熱面積的增加使微熱管傳熱性能有所提升。管壁材料的粗糙度決定流動(dòng)邊界層厚度，雷諾數(shù)大小的改變是判斷管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的依據(jù)，增強(qiáng)湍流，強(qiáng)化流體間的傳熱，擾流的出現(xiàn)對(duì)壓強(qiáng)損失與增強(qiáng)換熱不成比例，而且隨著雷諾數(shù)的增大，阻力增加大于換熱效果的提高[34]。固液接觸角與潤(rùn)濕性可以調(diào)節(jié)表面張力的大小，間接影響管內(nèi)流動(dòng)(圖4)[35]，上述各參數(shù)的確定對(duì)強(qiáng)化換熱領(lǐng)域的研究至關(guān)重要。根據(jù)過(guò)增元等[36]對(duì)強(qiáng)化對(duì)流換熱理論的研究，使熱邊界層內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)的速度矢量與溫度梯度之間的夾角協(xié)同可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱，而協(xié)同程度可以根據(jù)協(xié)同數(shù)判別[37-39]，因此有必要在未來(lái)弄清上述參數(shù)之間的聯(lián)系。

F1、F2分別為通道兩側(cè)作用于中間液流的不同大小的力；灰色為管壁材料，中間為內(nèi)部液體受力在管內(nèi)流動(dòng)圖4 通過(guò)控制微通道表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)[35]Fig.4 Drive liquid flow by controlling the surface properties and structures of the micro-channel[35]

2.2 充裝工質(zhì)及其充液率的影響與研究

經(jīng)研究，不難得出平板微熱管最大當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)是遠(yuǎn)大于所用外殼材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這說(shuō)明了內(nèi)部工質(zhì)的相變傳熱在平板微熱管換熱中起主導(dǎo)作用[40]。工質(zhì)的汽化潛熱值越大，在熱管蒸發(fā)段內(nèi)蒸發(fā)速度越快，啟動(dòng)性能越好，啟動(dòng)性能是衡量微熱管性能的評(píng)價(jià)參數(shù)之一，所以工質(zhì)的汽化潛熱值會(huì)影響微熱管的性能。這也為微熱管內(nèi)選擇作為工質(zhì)的優(yōu)化研究提供了方向。不同的工作流體所具的物理性質(zhì)不一樣，選擇一種合適的工質(zhì)足以影響平板微熱管的傳熱性能，選擇充裝工質(zhì)時(shí)會(huì)依據(jù)工作環(huán)境、工作溫度、以及工質(zhì)自身屬性等[41]。

趙耀華等[42]研究了4種工質(zhì)(甲醇、乙醇、丙酮、R141b)對(duì)帶有微結(jié)構(gòu)的平板微熱管熱通量的影響。結(jié)果表明，該平板微熱管陣列的散熱效果良好, 其中使用甲醇為工質(zhì)的散熱器其最大熱通量及總熱量輸運(yùn)能力分別可達(dá)到102 W/cm2及102 W以上。肖章平等[43]在不同工質(zhì)(蒸餾水、無(wú)水乙醇、重鉻酸鉀溶液)及充液率條件下對(duì)復(fù)合中空熱管傳熱性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明：充裝工質(zhì)為蒸餾水的復(fù)合中空熱管最佳充液率為33%；當(dāng)充液率為33%時(shí)，使用無(wú)水乙醇工質(zhì)的復(fù)合中空熱管的傳熱性能最優(yōu)。張芳莉[21]和況旭[44]均對(duì)水、丙酮和酒精3種工質(zhì)的微熱管進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同等實(shí)驗(yàn)條件下丙酮毛細(xì)現(xiàn)象最為明顯。加熱功率較低時(shí)，裝有丙酮的平板微熱管兩端溫差較小，隨著加熱功率的增大，乙醇平板微熱管兩端的溫差變小，低于丙酮的溫差。綜合得出酒精的品質(zhì)因數(shù)比丙酮要高，所以高加熱功率條件下，乙醇平板微熱管兩端的溫差會(huì)比丙酮低。Wang等[45]通過(guò)對(duì)新型平板微熱管性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。表明充液率為20%的平板微熱管性能最好。相較于丙酮和R141b，使用甲醇作為工作流體的平板微熱管性能最佳，其最小熱阻為0.18 K/W，最大熱導(dǎo)率為8 539 W/(m2·K)；使用R141b的平板微熱管表現(xiàn)最差。Wu等[46]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)使用CO2填充的熱管熱阻比使用丙酮填充低14.8%，最佳充液率為40%，此時(shí)最佳傳熱性能對(duì)應(yīng)最小熱阻為0.123 K/W。郭浩等[47]使用FC-72、乙醇和水作為工質(zhì)，分析工質(zhì)對(duì)重力熱管壁溫和蒸發(fā)段、冷凝段傳熱特性的綜合影響。結(jié)果表明：以FC-72或乙醇為工質(zhì)時(shí)，熱管壁溫穩(wěn)定性較好；當(dāng)工質(zhì)為水時(shí)，發(fā)生溫度波動(dòng)的功率范圍較大，其整體傳熱性能仍表現(xiàn)良好，且冷凝熱阻較小。同時(shí)，蒸發(fā)段的軸向溫度均勻性由于工質(zhì)類型和加熱功率的影響，在加熱功率較小時(shí)，以乙醇和FC-72為工質(zhì)的熱管蒸發(fā)段軸向均溫性較差，是因?yàn)樗鼈冚^水易汽化吸熱，且乙醇的潛熱較FC-72更大，此時(shí)乙醇-重力熱管的蒸發(fā)傳熱系數(shù)較大。冷凝段內(nèi)，冷凝液膜的熱阻為主要冷凝熱阻，此時(shí)水具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，所以水-重力熱管的冷凝段傳熱效果較好。另外，張東偉等[48]從熱管結(jié)構(gòu)和工質(zhì)兩方面基于脈動(dòng)熱管分析近期的強(qiáng)化換熱技術(shù)的理論研究成果，發(fā)現(xiàn)在熱管內(nèi)，具有較高黏度、比熱容和較低接觸角、表面張力的工質(zhì)有利于氣液塞的形成，促進(jìn)工質(zhì)循環(huán)振蕩的形成，強(qiáng)化換熱。

通過(guò)以上的研究，可知甲醇、丙酮、乙醇均為導(dǎo)熱性能優(yōu)良的工作流體，一般優(yōu)選甲醇，其次可以按照實(shí)際工作狀態(tài)的環(huán)境選擇丙酮或乙醇，這與工質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)[49]有密不可分的聯(lián)系。工質(zhì)的物性參數(shù)會(huì)影響管壁均溫性以及管內(nèi)流態(tài)。槽道內(nèi)工質(zhì)的充液率作為影響微熱管傳熱性能的一個(gè)重要因素，平板微熱管傳熱性能隨著充液率的變化而變化，一般最佳充液率在20%～30%，不同的工作流體有不同的最佳充液率。工質(zhì)的最佳充液比也受熱管傳熱極限的制約。當(dāng)充液率過(guò)低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液體工質(zhì)回流不足，蒸發(fā)段的熱量得不到及時(shí)傳輸，使蒸發(fā)段溫度上升[50]；當(dāng)充液率過(guò)高時(shí)，會(huì)使液體在冷凝段堵塞，使該段溫度明顯降低[51]。另外充液率過(guò)高使管內(nèi)蒸汽空間減小，導(dǎo)致蒸汽的流動(dòng)阻力增加，從而導(dǎo)致傳熱性能惡化。以上兩種情況都會(huì)導(dǎo)致熱管的熱阻增加，降低微熱管的等效導(dǎo)熱系數(shù)，如圖5～圖7所示。蒸汽腔的存在能夠減小工質(zhì)氣液循環(huán)時(shí)的流動(dòng)阻力[52]。為方便工程應(yīng)用，首先需要明確的是工質(zhì)和管殼材料在工作環(huán)境的相容性[53]，其次是針對(duì)不同充液率的工作流體在微熱管內(nèi)的循環(huán)狀態(tài)和管內(nèi)的剩余容積對(duì)微型熱管傳熱性能的作用。

圖5 6 W時(shí)微熱管的時(shí)間-溫度曲線[53]Fig.5 Time-temperature curves of the micro heat pipe under the input power of 6 W[53]

圖6 蒸汽腔熱管在不同灌注率下功率-溫度曲線[53] Fig.6 Power-temperature comparison of the steam chamber micro heat pipe with different filling ratios[53]

圖7 有無(wú)蒸汽腔熱管功率-溫度[53]Fig.7 Power temperature of heat pipe with or without steam chamber[53]

2.3 工作狀態(tài)的影響與研究

使用相同的微熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)平板微熱管的熱性能還與熱管的工作狀態(tài)有關(guān)，如熱源功率、傾角、工作溫度等條件。Rahman等[54]對(duì)充裝4種工作流體(丙酮、乙醇、甲醇和丙醇-2)的平行微型熱管系統(tǒng)分別進(jìn)行傳熱特性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在不同的熱源溫度和不同的工質(zhì)條件下，熱管的熱特性有顯著的變化；與其他工作流體相比，使用甲醇的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最低的蒸發(fā)表面溫度，甲醇是用于磁流體動(dòng)力系統(tǒng)的最佳工作流體(甲醇在較高的熱通量下熱導(dǎo)率最高)。Wang等[55]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱功率足夠大時(shí)，會(huì)形成一段塞流單元，局部出現(xiàn)干燥現(xiàn)象。隨著加熱功率的進(jìn)一步增加，蒸發(fā)部分呈現(xiàn)完全干燥。所以，微型平板微熱管的傳熱極限受干燥極限影響。通過(guò)對(duì)不同的平板微熱管進(jìn)行傳熱特性分析，發(fā)現(xiàn)α= 90°時(shí)，在毛細(xì)管力、重力和工作流體量共同作用下，A-4編號(hào)的平板熱管磁流體力學(xué)性能最佳。該平板微熱管的最小熱阻和最大熱導(dǎo)率分別為0.89 K/W和1 739.98 W/(m2·K)。Wu等[46]發(fā)現(xiàn)隨著熱功率的增加，熱阻隨著量程變化幅度的減小而逐漸減小。Mansouri等[56]根據(jù)建立的軸向微通道FMHP數(shù)學(xué)模型分析蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中的液-汽流動(dòng)過(guò)程，預(yù)測(cè)沿FMHP的最大傳熱能力、最佳流體質(zhì)量以及流動(dòng)和熱參數(shù)。發(fā)現(xiàn)隨著加熱功率的增大，蒸發(fā)段和冷凝段的界面曲率半徑分別呈減小和增大的趨勢(shì)(圖8)，同時(shí)出現(xiàn)實(shí)際中液體和蒸汽壓力損失會(huì)增加，管內(nèi)毛細(xì)管壓力變得不足以克服壓力損失。此時(shí)導(dǎo)致蒸發(fā)段缺乏液體，冷凝段則被過(guò)量的液體堵塞，最終導(dǎo)致熱管失效。

圖8 彎月面曲率半徑的變化[56]Fig.8 The change of the radius of curvature of the meniscus [56]

范春利等[57]研究了重力作用下微槽平板熱管的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)重力對(duì)軸向液膜的分布作用較為突出，從而得出傾角對(duì)平板熱管傳熱能力的影響，同時(shí)也可知深槽平板熱管的傳熱性能相對(duì)較好。董良好等[58]以充裝丙酮、充液率為15%的平板微熱管為研究對(duì)象，研究了平板微熱管傾角對(duì)其傳熱性能的影響，通過(guò)對(duì)比0°、45°和 90°共3個(gè)典型傾角，發(fā)現(xiàn)45°傾角時(shí)平板微熱管啟動(dòng)特性和傳熱性能最佳，即此時(shí)熱管升溫最快、所能達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫度最高且傳熱熱阻最小，0°傾角時(shí)平板微熱管的各方面性能最差。一方面傾角狀態(tài)促進(jìn)了重力對(duì)冷凝液體回流的作用力，另外當(dāng)傾角較大時(shí)，氣液循環(huán)阻力同比上升，不利于平板熱管的穩(wěn)定傳熱。Li等[59]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了影響微通道熱管(microchannel heat pipe，MCHP)熱性能的因素，發(fā)現(xiàn)MCHP熱性能和傾斜角之間的關(guān)系是非線性的，同時(shí)熱管的溫度分布及其有效導(dǎo)熱系數(shù)與蒸發(fā)段溫度對(duì)應(yīng)的傾角聯(lián)系密切。研究結(jié)果表明：低傾角時(shí)，溫差隨著蒸發(fā)段溫度的增大而增大；傾角較大時(shí)，溫差的變化會(huì)隨著蒸發(fā)段溫度的升高而變得復(fù)雜；通常情況下，高的蒸發(fā)段溫度對(duì)應(yīng)大的傾斜角，傳熱性能會(huì)表現(xiàn)良好；不同的蒸發(fā)段溫度匹配不同的最佳傾角(圖9)。

圖9 在蒸發(fā)器溫度分別為30、50、60 ℃時(shí)，具有不同傾斜角度的MCHP蒸發(fā)器與冷凝器之間的溫差[59]Fig.9 The temperature difference between the MCHP evaporator and the condenser with different inclination angles when the evaporator temperature is 30、50 and 60 ℃[59]

當(dāng)熱源溫度較低時(shí)，微熱管蒸發(fā)段的熱通量未達(dá)到臨界狀態(tài)，所以導(dǎo)熱效果會(huì)逐漸增強(qiáng)，隨著加熱功率的增大，在蒸發(fā)段，由于蒸發(fā)作用使界面曲率半徑呈減小趨勢(shì)，在冷凝段，由于液體凝結(jié)界面曲率半徑呈增大趨勢(shì)[60]。當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)點(diǎn)，微熱管內(nèi)部毛細(xì)管壓力不足以提供更大的循環(huán)動(dòng)力，熱管達(dá)到最大傳熱能力，繼續(xù)加熱會(huì)導(dǎo)致熱管失效。其中隨著熱功率的增加，熱阻的沿程變化間接顯示出了熱管全程循環(huán)的狀態(tài)。平板微熱管的工作傾角與重力作用對(duì)傳熱性能的貢獻(xiàn)值并非呈線性關(guān)系，通過(guò)分析傳熱熱阻和溫度分布判斷平板微熱管的傳熱效果，發(fā)現(xiàn)熱阻越小，相鄰段溫差越小，傳熱越好[61-62]。通過(guò)改變熱源溫度，研究熱管內(nèi)流動(dòng)壓降變化，由此聯(lián)系雷諾數(shù)判斷區(qū)間的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)兩端的流動(dòng)壓降變化反映了兩端液體的補(bǔ)給量[63]，確定平板微熱管內(nèi)壓差與熱流量、質(zhì)量流量之間的關(guān)系是強(qiáng)化換熱、相變傳質(zhì)研究的重要環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于該領(lǐng)域的研究幾乎空白。

3 平板微熱管的模型分析與預(yù)測(cè)研究

Xin等[64]研究了微槽尺寸和軸向帶槽壁對(duì)微槽平板熱管傳熱系數(shù)的影響，提出了一種新型的平板熱管漸變槽芯設(shè)計(jì)，當(dāng)熱流量Q=5.0 W時(shí)，有效導(dǎo)熱系數(shù)可提高12.4%。同時(shí)提出了帶凹槽的斜坡式氣液壁面設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單且符合實(shí)際應(yīng)用。Jung等[65]應(yīng)用液體薄膜理論提出了一種預(yù)測(cè)微熱管傳熱傳質(zhì)性能的瞬態(tài)分析模型，得到了微熱管內(nèi)蒸汽和液體的質(zhì)量流、壓力和溫度的軸向分布。Zhang[66]建立了軸向燕尾微槽熱管的熱、水動(dòng)力模型，該模型考慮了蒸發(fā)器和冷凝器的軸向?qū)?、軸向彎月半徑變化和液膜傳熱。結(jié)果表明：液膜厚度沿微槽軸向增大，熱管軸向傳熱量較大；蒸發(fā)段汽液界面的蒸發(fā)換熱系數(shù)大于冷凝段汽液界面的冷凝換熱系數(shù)。

王裴等[67]提出了一種新型溝槽道微熱管結(jié)構(gòu)，槽道周邊采用鋸齒狀強(qiáng)化了底層擾流，擴(kuò)大孔徑面積從而強(qiáng)化換熱；通過(guò)對(duì)該種熱管進(jìn)行熱性能分析，得出該微熱管在任何工況下均能保持良好的均溫性，且得出最大溫差為 0.8 ℃。李紅傳等[68]從親水性植物葉片的微觀凸起結(jié)構(gòu)啟發(fā)靈感燒結(jié)制成錐形的毛細(xì)芯，測(cè)試該平板熱管發(fā)現(xiàn)其蒸發(fā)熱阻隨加熱功率的增大均降低，蒸發(fā)傳熱系數(shù)隨加熱功率的增大均增大。將親水性蒸發(fā)段與疏水性冷凝段相匹配時(shí)平板熱管熱阻最小，當(dāng)傾角θ=0°，Q=200 W時(shí)，其最小蒸發(fā)熱阻為0.05 K/W，最小冷凝熱阻為0.02 K/W。Wang等[69]使用500 PPI(每英寸孔數(shù))篩網(wǎng)作為毛細(xì)吸液芯設(shè)計(jì)了一種新的平板熱管(flat-pipe heat pipe，F(xiàn)PHP)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其熱性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用蒸餾水作為FPHP工質(zhì)比使用丙酮或乙醇具有更好的熱性能，當(dāng)Q=40 W時(shí)，用蒸餾水操作的FPHP的熱阻為0.231 ℃；最佳充液率為25%。原因是蒸餾水潛熱和表面張力的組合值相對(duì)較高(當(dāng)孔徑相同時(shí)，較高的表面張力可以產(chǎn)生較高的毛細(xì)管力[70])。張藎文等[71]設(shè)計(jì)了一種無(wú)儲(chǔ)液室，且?guī)в幸壕€毛細(xì)芯的新型環(huán)路熱管，對(duì)比傳統(tǒng)環(huán)路熱管，新型液線毛細(xì)芯環(huán)路熱管在變工況和重力輔助條件下有良好的運(yùn)行性能，當(dāng)環(huán)境溫度 25 ℃，熱沉溫度 20 ℃時(shí)，可以在 10～130 W 成功啟動(dòng)，運(yùn)行溫度最高為 91.3 ℃，熱阻 0.33 K/W。Hamidnia等[72]使用硅磁流體采用微加工方法制備了3種不同尺寸、水力直徑為120 μm、截面不同的微熱管，并在不同充液率和加熱功率條件下進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)BBD(Box-Behnken design)優(yōu)化理論模型和實(shí)驗(yàn)方法，證實(shí)了與矩形動(dòng)脈相關(guān)聯(lián)的梯形MHP具有較好的傳熱性能，矩形動(dòng)脈占整個(gè)蒸汽室容積的40%。Nagayama等[73]開發(fā)了一種用于平板微熱管的凹槽會(huì)聚微通道陣列，以增強(qiáng)毛細(xì)作用力。對(duì)于70 mm長(zhǎng)的平板微熱管，當(dāng)Q=20 W時(shí)，理論上確定最佳槽寬為親水蒸發(fā)段100 μm，疏水冷凝段300 μm；同時(shí)證明了具有會(huì)聚通道的MHP比具有直微通道的具有更好的熱性能和毛細(xì)性能。Paiva等[74]對(duì)線板式微型熱管(溝槽型熱管)進(jìn)行了理論熱研究，結(jié)構(gòu)模型見圖10；其中使用了兩個(gè)模型：使用流體動(dòng)力學(xué)模型研究蒸汽通道水力直徑和蒸發(fā)段長(zhǎng)度的影響，考慮了槽中液體層的幾何形狀；使用熱力學(xué)模型預(yù)測(cè)蒸發(fā)段、冷凝段和液膜截面三部分沿?zé)峁艿臏囟确植?；最后將?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型對(duì)比結(jié)果一致。Peterson等[75]將制造這種高性能平行微熱管的方法稱為“引線鍵合”微熱管陣列。

圖10 線板式微型熱管的研究[74]Fig.10 Wire plate mini heat pipes studied[74]

在微熱管傳熱性能研究試驗(yàn)中，蒸發(fā)與冷凝兩個(gè)過(guò)程是相互依存、相互制約、成對(duì)出現(xiàn)的，毛細(xì)力作為動(dòng)力源不斷促進(jìn)管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)、冷凝的循環(huán)工作。從平板微熱管的模型分析和預(yù)測(cè)研究中，可以看出平板微熱管性能的突破是源于對(duì)微熱管槽道結(jié)構(gòu)和充裝工質(zhì)的狀態(tài)的不斷創(chuàng)新，并與適宜的工作環(huán)境相匹配。結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要從理論分析和模型研究中進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。為了更加細(xì)致地研究微通道領(lǐng)域的傳熱，對(duì)微米和納米尺寸的材料展開表面特征設(shè)計(jì)，并有效分析蒸發(fā)和冷凝極限的作用機(jī)理[76-78]，或許是該領(lǐng)域?qū)で笸黄频闹匾h題，液體發(fā)生相變沸騰傳熱的作用機(jī)理如圖11所示。

分圖(a)中，1相態(tài)為液體，θ1為接觸角；或2相態(tài)為液體，則θ2為接觸角，以上是由γ1,2、γs,1、γs,2之間的力平衡確定的。分圖(b)中，當(dāng)液滴或氣泡開始移動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生潤(rùn)濕滯后，具有不同的前進(jìn)接觸角(θa)和后退接觸角(θr)。在粗糙的表面上(通常針對(duì)液滴)，如果液體完全接觸粗糙度特征，則發(fā)生Wenzel潤(rùn)濕[圖(c)]，而如果僅部分接觸這些特征，則發(fā)生Cassie潤(rùn)濕[圖(d)]。光滑表面上的生長(zhǎng)可以通過(guò)流體在液-蒸氣界面[圖(e)]蒸發(fā)和冷凝或聚合事件[圖(f)]來(lái)實(shí)現(xiàn)。在粗糙的表面上，如果Wenzel潤(rùn)濕受到能量青睞，生長(zhǎng)(通常為液滴)可能發(fā)生在粗糙度特征內(nèi)[圖(g)]。如果Cassie潤(rùn)濕受青睞，則根據(jù)初始成核情況，會(huì)出現(xiàn)掛起(懸浮)或部分潤(rùn)濕模式[圖(h)]。成核相的離開可以通過(guò)形成薄膜(薄膜冷凝或薄膜沸騰)[圖(i)]、液滴或氣泡滑動(dòng)[圖(j)]、聚合[圖(k)]，其中聚結(jié)的液滴表面能(surface energy，SE)SE3小于原始兩個(gè)液滴的總和(SE1+SE2)或當(dāng)密度差異(ρ1≠ρ2)時(shí)直接通過(guò)重力體積力發(fā)生[圖(l)]圖11 通用相態(tài)1和2的液體或蒸汽常見的潤(rùn)濕、生長(zhǎng)和離開機(jī)制[76]Fig.11 Common wetting, growth and departure mechanisms for generic phases 1 and 2, which could be liquid or vapour[76]

隨著微電子冷卻、低品位能源的節(jié)約利用等社會(huì)話題的日益關(guān)注，高臨界熱流密度[79]的材料在加熱功率居高不下的條件下，出現(xiàn)的表面沸騰傳熱現(xiàn)象是值得關(guān)注的。由于材料表面局部過(guò)熱引起液流過(guò)熱沸騰產(chǎn)生的氣泡，管內(nèi)密閉使得不凝性氣體無(wú)法排出或者小蒸汽氣泡導(dǎo)致氣塞，對(duì)高傳熱工況造成不利影響。

基于液體薄膜理論研究不相容的氣液兩相狀態(tài)的傳熱傳質(zhì)[80]，采用理論分析和模型計(jì)算相結(jié)合的研究方式，更有利于提出新型的微熱管結(jié)構(gòu)。依據(jù)cotter理論、Taylor流動(dòng)、Young-Laplace方程以及三大守恒定律等，分析平板微熱管的傳熱特性與管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)[81-82]，以增強(qiáng)人們對(duì)強(qiáng)化換熱和材料熱物理的理解。因此，對(duì)關(guān)鍵物理現(xiàn)象和微型通道換熱理論的新認(rèn)識(shí)將顯著提升設(shè)計(jì)的新型平板微熱管性能。

4 結(jié)論與展望

多尺度強(qiáng)化換熱領(lǐng)域作為當(dāng)今新興的研究方向，凸顯了巨大的發(fā)展前景。綜述了平板微熱管傳熱性能影響因素的研究實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。平板微熱管的性能實(shí)驗(yàn)研究主要聚焦于它的傳熱機(jī)理和流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)組成和工作機(jī)理，基于微槽結(jié)構(gòu)、充裝工質(zhì)及其充液率、工作狀態(tài)3項(xiàng)指標(biāo)研究，得出以下結(jié)論。

(1)毛細(xì)壓力可作為傳熱性能的一項(xiàng)重要評(píng)定指標(biāo)。平板微熱管內(nèi)毛細(xì)力越大，傳熱性能越好；相反，當(dāng)毛細(xì)力提供動(dòng)力不足克服流動(dòng)阻力時(shí)，熱管將不能正常工作。分析槽道形狀和微槽結(jié)構(gòu)與毛細(xì)力之間的關(guān)系，通過(guò)改變管殼材料表面特性(潤(rùn)濕性好、親水性強(qiáng)、固液接觸角小，其毛細(xì)壓力大)，增大毛細(xì)壓力和兩端壓力梯度，降低了相變熱阻，強(qiáng)化換熱。

(2)基于性能實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)性質(zhì)可由其品質(zhì)因數(shù)衡量，具有高的表面張力和汽化潛熱值的工質(zhì)，毛細(xì)極限越大，品質(zhì)因數(shù)大，換熱性能強(qiáng)；保證槽道內(nèi)最佳的充液比，降低氣液流動(dòng)阻力，有助于提高微熱管的有效導(dǎo)熱系數(shù)，還可以設(shè)置一定高度的蒸汽腔。

(3)隨著加熱功率的增大，微熱管的蒸發(fā)段和冷凝段的界面曲率半徑分別呈減小和增大的趨勢(shì)，當(dāng)足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部干燥現(xiàn)象，造成熱管失效；重力對(duì)軸向液膜的分布作用明顯，平板微熱管工作狀態(tài)隨著工作傾角與重力作用呈非線性變化。熱管的溫度分布及其有效導(dǎo)熱系數(shù)與蒸發(fā)段冷凝段的流動(dòng)壓降和壓變化相關(guān)。

(4)蒸發(fā)與冷凝兩個(gè)過(guò)程相互依存，相互制約，同時(shí)存在。平板微熱管的流動(dòng)狀態(tài)與蒸發(fā)段和冷凝段的比例長(zhǎng)度、工質(zhì)流量以及氣液分布相關(guān)聯(lián)，但由于實(shí)際中存在蒸發(fā)與冷凝段的不確定性，因此通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)的理論和模型完成精確計(jì)算，分析平板微熱管內(nèi)部的傳熱特性和流動(dòng)狀態(tài)，將對(duì)多尺度微通道和多相工質(zhì)的相變換熱和界面?zhèn)髻|(zhì)方向的研究提供借鑒和參考。

(5)隨著“碳達(dá)峰，碳中和”的深入人心，結(jié)合強(qiáng)化換熱理論，通過(guò)模型設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)使平板微熱管的速度與溫度梯度矢量場(chǎng)協(xié)同，由此提升高傳熱性能熱管的工程應(yīng)用。對(duì)微通道傳熱機(jī)理和一些物理現(xiàn)象的深刻認(rèn)識(shí)，如表面沸騰傳熱、表面張力控制液流等，為理想換熱表面與通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及新工質(zhì)制備夯實(shí)理論依據(jù)，這也為微通道方向的強(qiáng)化傳熱研究奠定了研究基礎(chǔ)。