低温脉动热管的发展现状及展望

刘聪，闫春杰，孙述泽，曲家闯

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

低温脉动热管的发展现状及展望

刘聪，闫春杰，孙述泽，曲家闯

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

脉动热管是一种性能优良的传热元件，在电子设备散热、超导冷却、能量收集等方面具有广阔的发展前景。根据低温脉动热管的原理和特点，分析了中高温脉动热管和低温脉动热管的不同。总结了低温脉动热管理论和实验的研究现状和发展趋势，指出目前低温脉动热管研究存在的问题，提出了未来的研究和发展方向。

低温脉动热管；超导冷却；电子设备散热

0 引言

低温制冷机（冷源）与被冷却对象（如超导磁体等）之间的高效热连接是制约制冷机应用的突出问题之一。通过制冷机直接对超导磁体进行冷却，操作简单、系统也更加简化。通常采用铜、铝等高热传导率的金属材料来连接制冷机，传递超导磁体线圈产生的热量。但是，铜、铝等材料的热传导率会随着工作温度的升高而降低，导致传热效果下降。为了解决此问题，一些学者提出用一种高效传热元件低温脉动热管来代替传统的连接；经过实验证实，脉动热管比常规金属材料具有更大的传导率，在小温差的条件下，有很高的传热效率。

脉动热管（Pulsating HeatPipe或Oscillating Heat Pipe，PHP或OHP）是在20世纪90年代由日本科学家Akachi[1]提出的一种新型高效的传热元件。脉动热管是蛇形的无芯毛细金属管反复弯折，形成首尾相连接的多个平行管路，对管内抽成真空后充入一定量的工作流体，工质在表面张力的作用下自发形成气柱和液塞相间分布的结构。脉动热管通常分为蒸发段（加热段）、冷凝段（冷却段）和绝热段。在脉动热管蒸发段，随着热量的输入，气柱受热膨胀，气体内部压力升高，气体推动液柱向冷凝段运动；在脉动热管的冷凝段，气体受到冷凝作用导致气体体积收缩，内部压力减小。由于相邻两个管道之间的压力不同，使得液柱在冷凝段被推回到蒸发段，补充蒸发段加热时的工作流体，形成回流，从而使热量在蒸发段与冷凝段之间传递。

脉动热管和普通热管相比具有的优点是[2-5]：首先，结构简单、成本低、可靠性高；脉动热管一般不采用毛细芯，制造工艺简单；在合适充液率下，热流密度达到很高但不会发生干烧，保证了脉动热管的可靠性。其次，传热性能好，同体积热流密度大。脉动热管加热段工质的供应具有自适应机制，随着热负荷的增大，热流密度不断增大，蒸发很快的时候，气泡膨胀与破裂也同样很快，振动加强，强迫液态工质回到加热段，使其传热能力显著增强。再次，结构多样，适应能力强。脉动热管可以弯曲成任意形状，也可以有多个加热和冷却部位，这使其具有很强的适应性，拓展了应用领域。因此，脉动热管被视为目前解决微小空间高热流密度的散热方案中一种很有前途的传热元件，将在深空探测、电子设备的散热、超导冷却、能量收集、温度保持等多个方面和领域具有广阔的应用前景。

目前，对于脉动热管的研究主要分为实验研究和理论研究。实验方面主要集中研究影响脉动热管传热性能的因素，如充液率（工质体积占热管体积的比例）、倾斜角度、工作流体的性能、工作温度等；理论方面主要集中在对脉动热管的仿真研究。经过二十几年的发展，对于常温区脉动热管的研究已经取得了一定的进展。但低温工质（H2、Ne、N2、He等）热物性与常温工质相差很大，特别在黏度、接触角、气化潜热等方面，导致常温区的实验和理论成果无法直接应用到低温脉动热管上，因此亟需开展对于低温脉动热管的研究。对国内外低温脉动热管的研究现状进行了调研，为后续的研究奠定了基础，并与常温脉动热管进行比较，提出了未来研究和发展的方向。

1 国外的实验研究

最早研究低温脉动热管的是美国哥伦比亚密苏里州大学Xu等[6]，2008年为了实现细胞玻璃化的超低温保存，提出了利用低温脉动热管技术冷却细胞浑浊液的方法。实验采用氮气作为工质，得到脉动热管的传热系数为2×105W/m2·K，冷却速率可以达到107K/min。2009年，该大学的Jiao等[7]进行了液氮温区低温脉动热管的实验研究。脉动热管由8个弯头的铜管所组成，铜管内径1.65 mm，外径3.18 mm。实验系统先浸泡在液氮中进行预冷，直至测试段达到液氮的饱和温度，然后打开真空泵，管内充注液氮，充液率按照充液前后的质量差来计算。预冷后，给一定加热量，到达稳态后，再增大加热量。

实验结果表明，随着加热功率的增大，脉动热管从一个稳态发展到不稳态，直到一个新稳态的产生，过程可以概括为三个部分：不稳态、瞬时稳态、新稳态；在稳态下，加热段和冷却段的温差基本保持不变。在低加热功率时，温差与加热功率基本为线性关系，加热功率继续增大时，温差增大缓慢。分析原因是，当加热功率过大时，脉动热管中气体份额过大，会减小蒸发传热面积，烧干面积增大引起热阻增大，进而传热系数进一步减小。

2010年，日本国立大学的Mito等[8]制作了一种用于超导磁体线圈冷却的低温脉动热管。脉动热管由热导率很低的不锈钢所组成，外径为1.59 mm，内径为0.78 mm，由10个弯头弯折而成，加热段和冷却段用8 mm×30 mm的铜块来传递热量。通过对充液率和加热量的改变，对H2、Ne、N2三种工质做一系列的实验，实验数据如表1所列。

表1 脉动热管的传热特性表Table1 Heat transport characteristicsof OHP

与文献[7]中的实验数据进行对比，同样以液氮为工质，[7]中的最大热传导率为44 000 W/m·K，而文中的热传导率为18 000 W/m·K。这种差异的产生不是由脉动热管加热段和冷却段的温度梯度所决定，而是两端的热阻大小所决定。不锈钢材料和铜块的使用，导致了高热阻，同时也降低了脉动热管的热传导率。

Mito等[9-10]又对脉动热管的结构进行改良和优化。中间加热、两端冷却的方式，如图1所示，对于实验台的安装更加方便；平板式脉动热管的热耦合性更好，如图2所示。通过实验发现，这两种结构的脉动热管传热效果优于传统结构的脉动热管。

图1 改良后两端冷却中间加热的脉动热管图Fig.1 Modified-typeOHPw ith both ends cooled and the centerheated

图2 平板型脉动热管图Fig.2 Base platesw ith groovesand cover plate for the flatplateOHP

2012年，法国国家原子能中心的Bonnet等[11]设计了一套用于给脉动热管加热段预冷的装置，并在液氦温区脉动热管上成功应用。管子是由Cu/Ni两种材料组成，每一端被弯折成5个弯头，管子的内径大约为0.5 mm。在水平位置下，加热段从60 K降到4.2 K的时间大约为9 h，而采用主动预冷后，时间下降到1.7 h。

Gully对脉动热管不同倾角下（0~40°）的最大传热量进行研究。结果表明，在水平时，传输热量最小，仅为15 mW。当倾斜角度增大时，最大传输热量也增大；当角度为40°时，可达145 mW。

2 国内实验研究

2014年，中国科学院的Li等[12]对液氮脉动热管进行了实验研究。脉动热管是由5个弯头的毛细管组成，加热段一侧有一个T型的连接，用于氮气的充装。为了测试脉动热管的高热传导率，避免热管材料对传热性能的影响，采用热传导率较低的不锈钢材料。

实验结果表明，随着加热功率的增加，压力和温度迅速增加，在5 min内，达到稳态。继续增加功率，脉动热管达到烧干的情况，如图3所示。此时温度急剧上升，压力急剧下降。这是因为加热量增大，加热段的工作液体停止脉动，表现为气泡减少，压力降低，工作液体停留在冷却段，不向加热段移动。实验又从水平放置、底部加热和顶部加热三种方式下，对传热系数和温差的关系进行了研究。实验获得，最好的方式是底部加热的方式，这种方式拥有最高的压力和最大的传热系数。

2015年，中国科学院的Xu等[13]设计了一套用G-M制冷机作为冷源，以液氦为工作液体的脉动热管，并对不同的加热量、不同的充液率、不同的倾斜角度分别进行了研究。在充液率为70.8%，对不同倾斜角度分别进行测试。结果表明，在水平的位置下，脉动热管几乎不能启动；在15°的位置时，传热系数在5 800～11 500 W/m·K；在30°的位置时，传热系数大约为4 800～13 000 W/m·K。这说明对于液氦温区的脉动热管，重力对其启动起着很重要的作用。

图3 脉动热管烧干曲线图Fig.3 The dry-outof OHP

实验发现，在相同的低负荷下，充液率由54%提高到70.8%的过程中，传热系数是下降的。这是因为气泡形成很少，大多数流体是液体，气泡和液塞的驱动振荡效果没有形成。当充液率下降到24.6%时，传热系数也下降，这是因为存在少量液氦，而大多数为气泡，驱动振荡效果也没有形成。这说明，要想使脉动热管中产生持续的振荡效果，气泡和液塞数量要保持在合适的范围。

浙江大学制冷与低温研究所的甘智华[14]对液氢温区的脉动热管进行详细研究，搭建实验台。该实验台可以实现多参数的控制，如弯折数、绝热段长度、倾角、充液率及加热功率等，从而研究这些参数对脉动热管传热性能的影响。实验结果表明，液氢温区脉动热管在达到起振点之后，随着加热功率的增大有效热传导率增大，当达到一个最大值之后有效热传导率随着加热功率的增大而减小。在充液率34.22%时，脉动热管在加热功率为1.28 W时具有最高的有效热导率；在充液率56.34%的条件下，加热功率为2.205 W时具有最大有效热传导率。在相同的加热功率下，34.22%充液率的脉动热管较56.34%充液率的脉动热管具有更好的传热性能。

3 低温脉动热管的理论研究

目前对于低温脉动热管的研究主要集中在实验方面，在理论研究方面比较少。一方面是因为脉动热管传热机理比较复杂，无论是常温还是低温，都要考虑流体动力学和相变复杂的相互影响；另一方面是因为对于低温的脉动热管来说，理论的研究需要建立在实验的基础上，需要实验数据来支撑和验证，而对低温脉动热管实验要求比较高，实验设备比较复杂，这也限制了低温脉动热管理论的发展。

2012年日本国立综合研究大学的Natsume等[15]和国立聚变科学研究所的Tamura等通过实验数据，对常温脉动热管经验公式进行了修正。Khandekar等[16]在室温下，使用水、乙醇、R123在充液率为50%下获得的半经验公式为：

式中：q为加热段的热流密度；N为弯头数；Kα为卡门常数；Pr为普朗特数；Jα为雅各布数；β为倾斜角度；f为摩擦系数；ΔPsat为加热段和冷却段的饱和压力差；ρ为液体密度；Dj为脉动热管的内径；μ为液体黏度；Le为加热段的长度；Lc为冷却段的长度；La为绝热段的长度。

经过修正，得到低温脉动热管的半经验公式为：

现在普遍采用一种数值模拟的方法对脉动热管选取控制单元，对其进行质量守恒、动量守恒及能量守恒的分析，建立相应的微分方程组，并通过数值方法计算求解。多采用流体力学仿真软件，基于VOF方法，建立相关的数值分析，研究管内的流动状况以及温度压力分布等[17]。

4 结束语

脉动热管作为一种新型高效传热技术，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。低温脉动热管的研究刚刚起步，考虑到低温脉动热管工质的特殊性，通过对国内外文献的调研，并与常温脉动热管作为比较，提出三个方面的建议：

（1）国内外对于低温脉动热管的实验研究主要采用H2、Ne、N2、He这几种气体。可增强对其他种类工质进行实验研究，并且使运行温度涵盖更多的温区。同时，也可以参照常温脉动热管，在工质中掺入纳米颗粒，研究对传热性能的影响。目前，低温脉动热管的毛细管多采用毛细铜管或者毛细不锈钢管，无法实现可视化。为了解工质脉动的情况以及气柱和液塞的分布情况，可以加强可视化研究。对于低温系统而言，很小的热量散失会带来很大的温度波动，有时甚至影响到能否获得低温环境，影响整个系统的正常工作。所以对漏热问题的研究不可忽视；

（2）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，指导低温脉动热管的设计与运行。可参考中高温脉动热管的理论研究模型，充分考虑低温工质和中高温工质的不同，分析主要参数对低温脉动热管的传热与流动特性的影响，及驱动力、重力、毛细滞后阻力、气柱及液塞运动等在低温脉动热管运行中的作用，深入探索低温脉动热管的运行机理；

（3）增加对低温脉动热管应用的研究。目前，有些学者对低温脉动热管的应用做了尝试，比如把脉动热管用于超导磁体的线圈进行冷却[8]和用于生物细胞玻璃化[18]，但是这些尝试仅仅停留在实验室阶段，没有形成产品。建议在理论研究和实验数据的基础上，加大应用研究的力度，从而实现低温脉动热管的大规模应用。

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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

刘聪（1987-），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，主要从事空间制冷技术研究。E-mail：costaliugame@163.com。