脉动热管的研究现状及趋势

1、脉动热管的研究现状及趋势李元阳，陶钧，姜侠，侯娜娜，刘红果，朱宗升(郑州大学化工与能源学院 河南郑州450001)【论文摘要】脉动热管作为一种新型热管，具有结构简单、当量传热系数大，体积小成本低廉和性 能卓越的优点，在微电子元器件的冷却以及航空航天领域的热控制技术中极具应用和发展潜力。这 里简单介绍了脉动热管的结构及工作原理及国内外目前的实验和理论研究状况，对其中存在的一些 问题进行了探讨，对下一步的研究工作的方向以及趋势问题做出几点建议。【关键词】脉动热管；研究现状；趋势research and trends of pulsating heat pipesli yuan yang, tao

2、jun,jiang xia,hou na na,liu hong guo,zhu zong sheng(school of chemical engineering and energy ,zhengzhou university,zhengzhou 450001、 henan, china )i abstract) pulsating heat pipes(phps)are very attractive entrants in the family of heat pipes due to their simple design, high equivalent heat transfer

3、 coefficient, small size, cost effectiveness and excellent thermal performance. these devices have already shown very high promise for electronic cooling and other terrestrial applications, also they have a potential for thermal control applications for space and avionics- this paper highlights majo

4、r progress and milestones achieved in the development of this promising technology of pulsating heat pipes in the last decade, and some problem related was discussed.some recommendations for future research are also made. the prospect of pulsating heat pipes was also analyzedkeywords pulsating heat

5、pipes； research； trends引言随着电子行业和航天技术的不断发展，对电子设备体积提出了小型化的 要求，但其功能和复杂性日益增长，在有限的体积内，电子设备的功耗不断 增加，散热量急剧增加，引起电子设备因温度过高而故障增多，这使得传统散热方式不再适应现在的电子设备的高集成度发展的要求，因此电子器件的 散热冷却问题成为制约电子及航天技术发展的瓶颈问题。而脉动热管作为一 种微型散热冷却技术以其尺寸小、重量轻和当量传热量大等优点在电子和航 天领域显示了很大的优势。1脉动热管简介1.1脉动热管简介脉动热管是20世纪90年代提出的新型热管，由日本的akachi最早提出1,是极具潜力的电子器

6、件冷却器.与传统热管相比，其最大的特点是结 构简单（无芯，形状可以任意弯曲），当量传热系数大，体积小。脉动热管是 最有希望的高热流密度，小型化和低成本的传热元件，其结构如图1-1所示。 脉动热管的管径很小（内径一般在0. 5_3mm），它是由金属毛细管弯曲成 蛇形结构，弯头一端为加热端，另一端为冷却端，在中间可根据需要布置绝 热段。内部抽成真空，充注一部分工作液体，工作液体在表面张力的作用下 在管内形成长度不一的液柱和气塞。其工质液体一般为水、甲醇、乙醇、氟 利昂等。一般可分为开式回路和闭式回路两种结构。evaporatorbubble fssosd一orbonsopen loop witho

7、ut flow check valveclosed loop with flow check valve图11脉动热管结构示意图低温冷凝端。那里，气泡冷却收缩并破裂，压力下降。这样，由于两端 间存在压差以及相其基本工作原理是：将管内抽成真空后充注部分工作介 质，由于管径足够小，管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的 状态。在蒸发端，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向邻管 子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，从而 实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热 驱动下的自我震荡。与常规热管不同的是，脉动热管内部无需吸液芯材料， 因

8、而具有结构简单，制造容易，成本低廉的优点，现已成功应用在电力设备 及微电子的热处理5。尤为可贵的是，对其结构和设计参数进行优化后， 其运行性能基本不受重力作用的影响。因此能在重力场倒置、微重力场及重 力场变化等环境下运行，并将在航天航空领域展示其广阔的应用前景3 1.2运行特性及性能影响因素脉动热管看似结构简单，但实际运行特性十分复杂，且与常规热管有很 大不同。在脉动热管内存在着许多错综复杂的气液两相流动和传热现象，如: 气泡的核化形成过程，在蒸发端吸热膨胀并伴随着多个气泡的合并和积聚过 程；在冷凝端气泡的收缩及破裂过程；管内工质压力及温度的波动所引起的 动力学不稳定性；气液两相流型的变化过程

9、，如泡状流、柱状流、环状流、 溪状流及震荡流等的产生及转换；液桥和液阻的产生以及烧干等现象。因此, 有许多因素影响其流动和传热性能如管径、工质、充液率、斜角、不凝性 气体、热阻、传热量、重力、加热端与冷却端相对位置等。2脉动热管的研究现状2.1实验研究的现状实验发现脉动热管的运行在不同的加热两下大致可分为两种运行方式 4_61:各个通道内的脉动（相互影响较小）和多通道内的互影响脉动。脉动 热管的运行机理非常复杂，涉及到的因素很多，且带有很大的随机性，对它 的研究还处于初步的阶段，论文相对较少。目前，各国学者对脉动热管的研 究以实验为主，主要是观察其运行的过程和现象，研究管径、工质、加热方 式、

10、倾斜角、充装率等对脉动热管运行和传热的影响，从而认识其传热的机 理和规律。文献7针对毛细管结构变化会影响其性能这一问题，对毛细管截面为 正方形和正三角形，水力直径为1mm左右的微小型脉动热管的传热性能进行 了实验研究.结果表明，角管脉动热管底加热时的性能明显优于顶加热；正 方形截面角管水平放置也能够运行;三角形截面脉动热管的热阻比正方形截 面脉动热管的热阻更低脉动热管在水力直径为15mm时比lmm时的性能要好文献8采用控制恒定热流密度和冷凝温度的方法对平板开槽型脉动热 管的启动过程进行了系统的实验研究.实验发现：在特定工况下，启动过程 中脉动热管管内工质会突然剧烈沸腾，此时脉动热管蒸发段温度突

11、然降低， 冷凝段温度突然升高，广义热阻突然降低.热管冷却段冷却水流量对脉动热 管启动性能影响较小.文献9建立了部分可视化的环路型铜一乙醇脉动热管试验台，研究了 充液率、倾斜角度、环路数目等因素对脉动热管传热性能的影响。结果表明： 不能形成脉动效应时工质的流型是间歇振动,形成脉动效应时工质的流型是 弹状流或环状流；最佳倾角为7090 ,最佳充液率在50%左右；热阻文随着环路数目的增加而减小。献10用内径1 mm, 30个弯头的铜管， r142b为工质，分别在底加热、水平及顶加热3种情况下，研究了闭式回路的 传热特性。实验发现：不同的加热方式下，闭式回路对应不同的最佳充灌率。 底加热时，合适的充液

12、率较宽，水平加热时的最佳充液率为45%55% ,顶 加热时，合适的充液率较窄，基本限制在35%左右。文献11, 12对闭式及开式回路进行了对比研究。试验中以r142b为工 质，2 mm内径的tafion管，共10个弯头，热水加热，冷水冷却。试验表明， 闭式回路与开式回路性能差别较大。他还用脉动热管作了笔记本cpu的冷却 试验，r142b为工质，充灌率分别取40%、60%、80%,发现60%时传热性能最 佳。文献13用铜板开槽、聚丙乙烯密封的办法进行了可视化实验，工质为 酒精，槽尺寸为1.5 mm x 1. 5 mm,充液率从20% - 80% ,倾斜角从30 90,观察了管内流型，气泡的生成和

13、运动，研究了充液率和倾斜角对流型和振荡的影响。观察到蒸发段典型流型是核态沸腾和气泡振动，大多数活跃 的振动发生在40%60%充液率和90角。未观察到工质的循环流动，液 体回流是简单的壁面层流流动，而不是气液段塞流。文献14研究的闭式回路热管，有10个弯头的玻璃管组成，内径2. 4 mm, 外径4. 0 mmo水作工质并加入少量的黑墨水便于观察,其缺点是实验精度不 髙。文献15研究的闭式回路热管，有10个弯头的聚乙烯管组成，内径为1. 8 mmo实验观察表明，存在一个最小热启动负荷，使流体在回路中能沿某个固 定方向循环流动。文献16, 17对由铜管组成的封闭回路进行了试验研究，采用水、酒精、 r

14、123等3种工质，选择1、2価两种管内径。试验表明，存在一个临界弯头数, 超过临界弯头数，倾斜角对性能的影响很小。并分析得到了临界弯头数的实 验关联式。文献18, 19对脉动热管的加热段长度与冷却段长度分配对其极限热 输送能力的影响.实验管为内径09mmx外径1. 5mm.全长156omm的铜管， 管内流体工质为r141b.实验揭示了 5种不同长度配比的热管在不同充液率条 件下的传热特性.结果发现当充液率较低时，如果加热段长度等于冷却段长 度，则该热管有最大的极限热输送能力；而当充液率较高时，在加热段长度 大于冷却段长度的条件下，该热管的极限热输送能力最强.国内对脉动热管的研究刚刚起步。如文献

15、20, 21对8个及10个弯头组 成的封闭回路作了可视化及半可视化试验，材料为铜管和玻璃管组成，管内 径1. 8 mm,外径2.0 mmo研究了输入功率、倾斜角以及不凝结性气体等对 流型和热力性能的影响。综上所述，目前国内外对脉动热管的实验研究还很初步，积累的实验数 据远远不够，大量的实验规律还没有得到。对脉动热管的运行和传热的机理, 尚没有一个清晰的和统一的认识。2.2现有的数学模型现把一些具有代表性的数学模型和理论分析方法概括如下：(1) 弹性阻尼系统模拟加。该方法用一个或多个弹性阻尼来模拟管内流 体的振荡流动和压力的波动。其核心思想是加热和冷却过程看作是两个外 界扰动源，并用拉格朗日方法

16、来描述流体的运动特性，可预测气液柱的长度, 分析充灌率的影响等。其缺点是过于简化蒸发和冷凝过程，只强调吸热或放 量的数量，而忽略了相变过程中出现的重要物理现象，如气泡的生成、膨胀、 合并、收缩及破裂等等。因此，该模型缺少物理意义，与实际结果相差太大。(2) 应用经典的三大守恒方程求解。通过选取控制单元，对其进行质量 守恒、动量守恒及能量守恒的分析，建立其相应的微分方程组，最后用数值 计算方法求解。在现有的这类模型中，考虑用一些经验公式去模拟蒸发过程 和冷凝过程及气液柱的动力特性等。从这个意义上讲，其模型较前一种有所 改进。但是，模型的复杂程度大大增加，并作了很多假设。另外，尚不能反 映气泡的合

17、并和破裂过程，流型及流态的转换过程，振荡流动的混沌性等。 因此，离实际预测还有差距。(3) 混沌理论"i考虑到脉动热管内流体的流动和振荡现象十分复杂， 具有相当的随机性和不可确定性，且影响因数众多。因此有人试着用混沌理 论去解释。但是该理论是否适用尚有待进一步验证。(4) 人工神经网络预测。该方法模拟人脑的思考过程，通过对已有知识 的反复学习和映射，去解决一些类似的未知问题。一个好的神经模型非常容 易使用，使用者只需提供输入参数，模型会自动预测结果，且结果准确。它 特别适用于解决多参数影响的高度非线性问题。当然，对建模者来说，为了 编制一个好的人工神经网络模型，需事先收集大量的原始资

18、料作为学习样 本，并经过反复的训练和调整过程。这通常意味着需要有大量的实验数据作 为前提条件。3结论与展望脉动热管作为一种新型热管技术，性能卓越且应用前景广阔，是热管领 域的一个研究热点。自脉动热管问世以来，对其研究报道日益增多。本文综 合分析了现有的有关文献，高度重视已有的实验研究成果以及理论研究方 法，并对存在的问题及不足之处作了剖析。从而明确了下一步的研究方向以 及有待解决的问题。在此归纳成以下几点：(1) 获取大量可靠的实验数据，为脉动热管在电力设备及微电子冷却中 的推广应用提供相应的依据和设计规则。(2) 深入研究重力场的作用和影响。为拓展脉动热管在航天及航空领域 的应用，有必要研究

19、在各种重力场下，如微重力场、重力场倒置以及重力场 变化等情况下，脉动热管的运行特性及性能变化规律。(3) 类似与常规热管，脉动热管内必然存在着传热极限问题及烧干现象。 因而对这一类问题的实验研究具有十分重要的意义。(4) 有必要重视和解决脉动热管在实际使用过程中所遇到的一系列问 题：如在长期运行情况下的寿命问题，非凝结性气体对运行性能的影响，混 合工质的使用问题，运行环境的震荡影响等。(5) 提供更为实用可靠的数学模型。如建立通用的实验关联式，或建立 符合脉动热管运行特点的气液两相流新模型等。参考文献：1 akachi h. structure of a heat pipe. usa, pat

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