脉动热管技术的研究进展

朱晓琼 胡念苏

（1.上海威特力热管散热器有限公司，上海 201318；2.武汉大学机械与动力学院，湖北武汉 430072）

随着电子技术的飞速发展，电子元器件不断地向小型化、微小型化和集成化方向发展，同时设备的组装密度也在不断提高，导致单位面积的热流密度迅速增加。研究表明，芯片级的热流密度达100W/cm2之高，如果不能采用合理的散热技术，必将严重影响电子器件及系统的工作［1］。脉动热管是Akachi在1990年提出的一种新型两相传热热管，有着结构简单、成本低廉、传热性能好和适应性强的优点，是未来高热流密度散热器件的主要途径，已经在微电子散热、冷冻技术、余热回收、航空航天等方面展现出了良好的应用前景［2-4］。

近年来，国内外学者从实验方面和理论方面对脉动热管进行了研究，对其的认识也在不断地深入。本文首先介绍了脉动热管的工作原理和结构，然后在此基础上总结了近年来国内外在脉动热管的实验和理论方面的研究进展，以期为脉动热管的进一步研究提供参考。

1 脉动热管结构及工作原理

脉动热管是一种新型热管，由包含蒸发和冷凝的毛细管或U形槽道组成，没有传热热管的毛细芯结构，可分为封闭式、开放式和带单相阀的闭合回路脉动热管，如图1所示。

其基本工作原理为：脉动热管的蒸发段形成了一个蛇形密闭的真空，工质在里面以较低压力吸热相变产生气泡，迅速膨胀和升压并推动工作流向冷凝段。气泡在冷凝段冷凝收缩并破裂，压力下降，从而在管内形成气塞和液塞间隔随机分布的震荡状态。最终导致工质在加热段和冷凝段之间震荡流动，实现热量的传递。

图1 脉动热管示意图

2 脉动热管的实验研究现状

2.1 脉动热管的可视化研究

通过可视化实验观察脉动热管启动和稳定运行时的工质流态是一种常用的研究方法。Tong等人［5-7］发现在热管蒸发段可以观察到核态沸腾现象及气泡的膨胀、集合等行为，且在加热量达到一定程度后工质在热管内会形成定向循环流动。Yang等［8］发现在充液率为40%～70%时，低加热功率时只有液弹的振荡运动，高加热功率时逐渐变为循环流动。Xu等人［7］发现工质的种类会影响气泡在脉动热管内的速度及位置，屈健等［9］则发现管径、倾角及弯头数都会影响脉动热管内工质的流动状态，从而影响换热。

曲伟等［10］在半可视化脉动热管实验台发现，管内工质的流型与加热功率有关，功率较小时为间歇振动，功率较大时为单向脉动流动。同时发现热阻与加热器功率、热管倾角及不凝性气体含量有关。杨蔚原等人［6］通过可视化实验发现充液率、温差、对流换热条件、加热段与冷却段的长度比例、管内表面状况都对脉动热管的稳定性有影响。曹小林等人［11］在可视化实验中发现脉动热管存在传热极限，且在最佳充液体率为50%和最佳倾角为50°时的传热极限最高，当热流密度较大时，通道形状对传热性能的影响较小。

一些学者也采用了特殊的探测技术对脉动热管进行了可视化研究。Borgmeyer等［12］采用中子成像技术对铜管式脉动热管进行了可视化研究，发现加热功率会影响热管内的工质脉动，随着加热功率的增大，工质脉动会逐渐趋于稳定。李志宏等人［13-14］通过电容成像方法，测量了脉动热管内两相流的液膜厚度，发现脉动热管流型呈现出弹状流、混合流和环状流等。

总体而言，脉动热管内的工质流动及流型比较复杂，在不同工况下会出现多种流型，伴随着气泡的生成、膨胀、聚合、凝结与消失，流型与传热性能密切相关，随着加热功率的增加，液弹脉动振幅、速度和频率都会增加。

2.2 脉动热管性能的影响因素

影响脉动热管性能的主要因素包括管道内径、工作介质、充液率、横截面形状、弯头数、倾角及加热方式等。

2.2.1 管道内径

Lin等［15］认为工作介质为水时，脉动热管的内径应大于0.8mm。Khandekar等人［16-17］发现随着热管水力直径的增加，其传热性能提高，而通道的最大直径可以通过临界Bo数来确定。研究表明临界Bo数为2，同时Lin给出了［18］脉动热管通道直径的范围。Rittidech等［19］发现管径和工质种类会共同影响脉动热管的传热性能，对于水而言，管径增大会强化传热，但是对乙醇则相反。曲伟等［20］采用多种工质研究毛细管对脉动热管启动的影响时发现，当毛细管壁上有空穴时有利于产生气泡。

2.2.2 工作介质

工作介质的热物性参数将会影响脉动热管的传热性能。一般而言，低热流密度的脉动热管应采用潜热较小的工质，高热流密度的脉动热管应采用潜热较大的介质［21-22］。Mahalle等人［23］在研究纯工质和二元混合工质对脉动热管性能影响时发现，丙酮脉动热管传热性能较好，但混合工质和纯工质对热管性能无明显影响。

Wang等人［24］选取甲醇、乙醇、丙酮、水和不同两种物质混合物作为工质进行了脉动热管的实验研究，发现加热功率会影响热阻的大小，且对于单一工质的脉动热管，热阻从大到小依次为水、乙醇、甲醇和丙酮。在各种单一和混合工质中，甲醇与水混合物作为工质的脉动热管具有最好的传热性能。

Li等［25］研究了纳米流体和水脉动热管的性能，发现纳米流体热管更容易形成气泡，热负荷范围较大。而Ji等［26］发现圆柱形纳米流体脉动热管的传热性能最优。

2.2.3 充液率

工质体积占热管容积的比例称为充液率。充液率太小容易导致热管蒸发段因为工质不足而发生烧干，充液率太大则导致生成的气泡数量较少，会削弱热管的传热性能。大量的研究表明［2，27］，脉动热管的充液率范围是20%～80%，而最佳充液率与脉动热管的结构尺寸、工质类型、加热功率、加热位置和倾角有关。也有研究认为在不同的加热方式下回路型脉动热管对应不同的最佳充液率，底部加热时，最佳充液率为45%～55%；顶部加热时在35%左右。杨洪海等人［28］则认为最佳充液率在55%左右［29］。

2.2.4 横截面形状

脉动热管的横截面形状不同会使流动阻力不一致，从而影响传热性能。研究表明［30-31］矩形流道脉动热管的传热性能要优于圆形流道热管，正方形脉动热管的传热性能要小于正三角形截面，且随着内径增大传热性能变好。曹小林等［32］发现在相同的条件下，矩形通道截面的传热效果要优于正方形通道截面。Liu等［33］研究了交替改变通道水力直径的脉动热管的传热性能，发现其传热性能要比普通热管好。

2.2.5 弯头数、倾角及加热方式

脉动热管弯头数的多少直接影响管内气液两相分布，从而影响传热性能。Charoensawan等［16］发现脉动热管的弯头数存在一个临界值，且与热管内径、工质种类及热功率有关，而Maydanik等［34］发现当脉动热管的水力直径为0.5～3mm时，弯管数应大于10。

倾角和加热方式都对脉动热管的传热性能有较大影响。曹小林等在研究中［35］发现脉动热管在竖直放置底部加热的情况下运行情况最好，此时理想的倾角为70～90°，水平放置时则不能很好地运行。徐进良等［36］以FC-72为工质，研究了倾角对紫铜脉动热管传热性能的影响，发现当倾角为0°时，传热性能很差；倾角小于10°时工作极不稳定；而在30～90°范围内倾角对传热性能影响不大。

综上所述，有关脉动热管的实验研究已经比较丰富，但由于实验条件及研究对象的差异，不同学者对其认识有一些共性的结论，但也有少许的差异。林梓荣等［29］认为充液率、加热方式、工质物性、管径是影响脉动热管传热性能的主要因素，而弯头数、横截面形状、冷热段比例是次要因素。

3 脉动热管的理论研究现状

脉动热管的运行机理非常复杂，导致其理论分析及数值模拟均比较困难，故不少学者都针对脉动热管做出了多方面的理论研究。能够反映热管内传热特性的模型主要有：弹簧-质量-阻尼模型、VOF模型、质量动量及能量控制方程模型、混沌模型和半经验关联式。

Ma等［37］在弹簧-质量-阻尼模型基础上对脉动热管中的液弹脉动和温差进行了研究，建立了汽液运动方程，获得了描述液塞位移的分析解，同时预测得到了冷热段的温差，发现液弹脉动强化了热管的传热性能，冷热段存在最小温差。Cheng等［38］的模型认为汽弹的作用类似于一个线性弹簧，且显热传递起主导作用。Wong等［39］采用多弹簧-质量-阻尼模型简化了热管内的运动，能较好地反应工质的运动特征，但未能考虑相变和传热。此类模型都对脉动热管做了很大简化，没有充分考虑传热及相变，难以准确描述真实的物理现象。

Lin等［40］使用VOF和混合模型对脉动热管内的两相流进行了研究，发现可通过增加水力直径提高热管的传热性能。

Shafii等［41］基于质量、动量、能量守恒方程，并综合考虑表面张力及相变传热，对开放及闭合回路脉动热管建立了数学模型，发现脉动热管主要通过液弹脉动的显热传热。贾力等［42］采用质量、动量、能量守恒方程建立了汽塞液塞数学模型来描述工质在热管内的运动，发现管径及初始压力均可影响液塞振荡幅度。Yuan等［43］建立了液弹和汽弹的流动及传热模型，发现液弹的脉动可以看作是一个自由系统的强迫阻尼振动，重力对其的影响很小，且液弹的初始位移对振幅和频率都无影响。

Xu等［44］在研究脉动热管各个管段温度分布的基础上，发现脉动热管可以看作一个混沌系统，但其自相关函数随时间的下降表明，对该系统进行长时间预测的能力是有限的。Wu等［45］发现脉动热管内工质运动的混沌程度比较弱，并从理论上给出了工质运动状态改变的原因。翁建华等［46］采用人工神经网络对脉动热管传热性能进行了研究，预测结果与实验值之间吻合程度较高，但模型的通用性尚有待验证。Chang等［47］通过神经网络模型揭示了脉动热管在不同工况下传热的非线性特征。Lee等［48］提出了一个针对带有多个液塞和汽塞的脉动热管的非线性神经网络模型来预测热管中脉动的不稳定性，预测结果较好，但对模型的物理意义没有明确解释。

曲伟等［49］建立了环路型脉动热管稳态自激循环流动运行机制的物理模型和数学模型，在综合考虑传热、汽液容积流率、密度、运行驱动力和阻力的基础上，对传热和流动进行了耦合求解。研究发现潜热传递决定了循环流动速度，显热传递及流动速度共同决定了净换热量的大小。同时还建立了［20］脉动热管启动和运行的物理数学模型，讨论了尺度效应是如何影响脉动热管的启动和运行的，发现通过壁面粗糙度的加工、气泡尺度的控制和工质的匹配选择等可以实现脉动热管的优化设计。

也有学者通过热力学分析［50］，对简单回路脉动热管的系统耗散功和系统体积功进行了研究，获得了脉动热管运行的热平衡条件，发现耗散功是维持系统稳定运行的必要条件。

同时近年来也有学者在实验的基础上总结出一些半经验模型来预测脉动热管的运行。傅烈虎等［51］采用应用统计学中的中心复合设计原理，在对平板型脉动热管进行实验的基础上，得到了以充液率、倾斜角度和加热量作为变量的二阶回归模型，模型结果与实验结构的偏差在5%以内。Rittidech等［19，52］建立了以管径、充液率、工质、止回阀比例为参数的关联式，较准确地预测了脉动热管垂直或水平放置时的工作范围。Katpradit等［53］在综合考虑冷凝段、绝热段及加热段间不同比例的影响，利用相似分析法总结出了预测临界热流密度的关联式。

综上所述，由于脉动热管的运行受到了很多因素的影响，故各种模型都很难准确的描述脉动热管的运行机理，每种模型均在某方面有较好地指导意义，但也存在一些缺陷，需要更充分地考虑更多因素的影响，关于脉动热管的理论研究还需进一步增强。

4 脉动热管技术展望

脉动热管作为一种新型高效技术，由于其良好的传热性能受到了国内外很多学者的关注，呈现出了良好的发展势头。目前针对脉动热管的研究，主要是通过多工况实验来研究其传热性能的影响因素，通过可视化研究来揭示其传热机理，并建立数学模型对其进行分析。通过不断的努力，对脉动热管的认识正在不断深入，也开始逐渐投入到实际应用当中。但要实现脉动热管的大规模应用，还有一些问题需要解决。（1）应继续加强对脉动热管传热机理的研究，建立更为精确、更具通用性的理论模型，从而深刻揭示传热机理，指导脉动热管的设计与运行。（2）应加强对微型脉动热管的理论研究。微电子器件的尺度越来越小，从而对脉动热管的尺寸也提出了相关限制，但这方面的研究很少，从而限制了脉动热管在微电子领域的应用。（3）加强脉动热管的应用研究。如在不用条件下应用脉动热管时，如何选择脉动热管的结构、尺寸、工质类型等以及脉动热管的加工，在这方面需要积累更多的实验基础来为脉动热管的应用提供依据。

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