柔性热管传热性能研究现状及发展

侯正烜 蔡振 魏立志 陈雅琳 郭亚博 刘良旭

（华北理工大学冶金与能源学院 河北 唐山 063210）

1 前言

随着现代电子信息设备等高科技产品向微型化、高速化、集成化和低功耗方向发展，基于气液相变的热管技术是一种高效的热管理手段，而传统刚性热管满足不了微型电子元器件高性能散热需求，发展新型柔性热管技术有望克服上述问题，具有重要意义。

柔性热管的概念由Grover［1］在其研究中提出，受当时技术限制，热管曲折性能较低。随后Bliss［2］等人采用不锈钢网制成的毛细芯作为热管内部结构进行研究，最终得出了铜水式柔性热管。Peeples［3］等人研究了热管绝热端的曲率半径对热性能的影响。实验结果表明，过小的曲率半径可能会造成内部吸液芯结构发生改变，导致热管传热性能降低。Meier［4］等人设计出一种温区1400K以下传递热量1500kW的柔性热管，该热管可用于宇宙飞船散热器上。李炜征［5］等人研究分析了低温热管处于不同传热极限对性能影响，得出重力热管产生影响的传热极限只有两种：干涸极限和沸腾极限。Jiale Huang［6］等人发明了一种y型柔性分支热管，研究了工质填充比、加热功率、弯曲角度、倾斜角、取向角和堵塞比等结构参数对柔性支热管热性能的影响。结果表明，与直管相比，柔性支管具有更高的冷却能力和更大的最大热负荷。Xuan Dai［16］等人建立了一个经验方程，实验表明，超薄扁平热管（UTFHP）的热性能劣化在0°和45°的弯曲角度范围内，绝热段的热阻随着弯曲角的增加而增长。Yang［15］等人测试了两根扁平热管的不同填充负载比，施加功率和倾斜角度。实验表明，125%的最佳填充负载比产生0.12K／W的最低热阻，传热能力为20W。代轩［7］等人研究了弯折对于柔性热管热特性的影响，得出气液相界面的毛细压差或者热管的毛细泵力是影响热管性能和运行的最重要参数之一。Xiaohua Zhu［8］等人对不同柔性管进行拉伸性能分析，结果表明，当柔性管受到静水压力时，外部压力对柔性管拉伸性能的提高更大，但对极限拉伸载荷的降低明显。Chao Liu［14］等人将三种不同的填充比例的工作流体加载到热管中，分析表明，弯曲会干扰柔性扁平热管中蒸发器到冷凝器的蒸汽流，从而导致蒸发部分的液蒸气界面热阻增加。

综上可知，影响柔式热管传热效率的因素有曲率半径、内毛细压差以及充液率等，文章将分别从这三个因素进行分析并提出优化的方法及建议。

2 柔性热管类型

不同的管壳材质可将柔性热管分为三类，分别是金属柔性热管、聚合物柔性热管以及复合型柔性热管。其中金属柔性热管主要分为两种类型，一是金属自带伸展性质实现柔性特征，而另一类则是金属波纹管作为柔性连接材料。由于金属自身性质无法改变，此类金属柔性热管所具有的曲折能力并不突出。而聚合物柔性热管是利用聚合物材料作壳体的具曲折能力的柔性热管，虽然聚合物具有柔性特性，但此类聚合物导热性能不佳，增加了热管的传热热阻，降低了热管的传热效率。复合型热管可分为两类，一类是聚合物表面复合金属层，能够提高复合物的机械强度、气密性、导热能力。但聚合物本身导热性较差，蒸发端和冷凝端的热量仍需通过聚合物进行传送，热管的整体导热能力相对较弱。另一类利用聚合物材料，将热管的蒸发端与冷凝端相连。同时，蒸发端和冷凝端由金属材料制成，不仅可以增强柔性热管的传热性能，也可以保持聚合物较好的曲折能力。相对地，这种方法在加工工艺上难度比较大。

3 影响柔性热管传热性能因素

3.1 曲率半径

对柔性热管性能研究发现，热管传热过程中曲率半径的变化对传热性能产生了重要影响。代轩［7］等人研究发现柔性热管的热阻与功率随曲率半径的变化而改变：

（1）当曲率半径与加热功率不变时，热管热阻随着弯曲角度的增加呈现微小的增加；

（2）当固定曲率半径和加热功率时，热管的极限功率随着弯曲角度增加有一定的减小；

（3）当固定弯折角度和加热功率时，热管极限功率与曲率半径没有明显的变化关系。

Daehoon Lee［9］等人设计了一种新型柔性薄板热管。热管采用一种具有纳米结构的超亲水表面的新型网状结构。实验表明热管即使在弯曲条件下也能作为有效的热导体。目前平板热管在无曲率工况下，有效导热系数可达3000W／mK。当曲率半径为95mm时，有效导热系数平均降低10%～20%。且纳米结构的超亲水表面与传统基铜表面相比，能显著提高材料的热性能。当热管启动时，随着热输入的增加，所制备的平板热管的热性能首先增加。当施加的热量接近毛细管极限时，热性能随热输入而下降。受重力影响，处于垂直状态的热管性能最佳。Chuljae Jung［10］等人提出了用金属密封的高性能聚合物柔性脉动热管（FPHP）的方法，利用聚碳酸酯片用作基础材料，FCCL用作信封。经实验测试后发现FPHP的热性能在垂直方向、水平方向和45°弯曲条件下以各种输入热力进行评估。对于垂直方向，FPHP的最大有效导热性为1070W／m=K。FPHP即使在水平方向上也运行正常，FPHP的有效导热性平均降低了20.4%。在45°弯曲条件下，FPHP的有效导热性与垂直方向相比平均降低了3.4%。

3.2 毛细压差

研究表明柔性热管的毛细管压差对其传热性能有重要影响。许乐［11］对微热管的分析结果表明。当热管达到毛细管极限时，由于蒸发与冷凝两端温差过大，毛细管体的毛细管力不足导致冷凝液体无法完全回流，蒸发器蒸发干燥导致热管故障。因此毛细压差对热管的传热性能影响较大。代轩［7］等人研究得出热管吸液芯内所形成的毛细压差是由一根热管的最大毛细泵力产生。分析可知，气液相界面的毛细压差或者热管的毛细泵力对热管性能和运行十分重要。如果热管吸液芯中气液界面形成的毛细管压力差不足，热管吸力中心处的冷凝水不得回流到蒸发末端。此时，热管达到毛细管压力极限，蒸发结束时的真空芯将蒸发干燥。吸液芯的物理结构是决定这一极限的重要原因之一，当热管在稳定状态下运行时，蒸汽由蒸发端不断地向冷凝端流去，而冷凝后的液体由冷凝端通过吸液芯回流作用重新回到蒸发端。

理论上，整个工质处于循环状态时，所有过程产生的总流动阻力不超过热管所提供的毛细泵压力，热管便可以稳定地工作。可进一步模拟和实验，探究毛细压差与柔性热管传热性能间的关系，并得到最高效传热性能。

3.3 充液率

充液率是指填充液体的体积与液体流动所需毛细管结构中面积的体积之比，可通过毛细芯的孔隙率的计算求得，可根据Lu Heqing［12］提出金属丝网的孔隙率的计算方法。孔隙度的物理意义是指毛细循环中孔隙部分与其整体之间的体积比。继而根据热管中毛细结构的大小和孔隙率的大小，计算出理论流体填充能力。实际上，在热管内毛细层的角落区域将有一个死区，没有液体参与流动的死区，充液管路也存在着有液体损失，实际充液量可通过减去该损失来确定。

Jiale Huang［6］等人测试了柔性热管处于不同参数条件时的热性能。结果表明，与直支热管相比，柔性支线热管具有较高的冷却能力和较大的热负荷最值。具有15%工作流体填充比的柔性支气管具有最小的耐热性，而填充率为45%的管道具有最佳的抗重力性能，它可以在90°弯曲后正常工作。杨超［9］等人研究了柔性热管中液体填充率对柔性热管传热性能的影响。研究结果表明，当热管输入的参数数值保持不变时，管内液体的充液率过高或过低都将严重影响传热效率。最后分析可知，当填充率较低时，会造成工质不够充分，热量没有从蒸发完全交换到冷凝端，这增加了两端的温差，提高热管的导热性和热阻，并影响其传热性能。如果液体填充率太高，则工质太多会淹没蒸发区域的液体吸收结构。当管内液体流入蒸发段，将会增加传热热阻。

Li［13］等人比较了扁平超薄热管的三种不同的复合灯芯结构。热管尺寸为200mm×7.8mm×1mm，以水为工作流体。测试了三根热管在水平方向上的不同填充比（50% ～80%）和施加功率（8W～15W）。观察到最佳填充率分别为70%，70%和80%。最大热功率耗散为12W、13W和14W时，可实现最佳填充比。

4 发展趋势

现目前，针对如何提高柔性热管的传热性能仍需深入研究，文章对未来柔性热管的发展方向和应用前景提出几点拙见供参考。

（1）今后研究中对毛细压差与柔性热管传热性能间的关系可进一步模拟和实验，得到更高效的传热性能。理论上，柔性热管内表面结构影响内部毛细压差大小，整个工质处于循环状态时，所有过程产生的总流动阻力不超过热管所提供的毛细泵压力，热管便可以稳定地工作，提高整体工作效率。

（2）研究柔性热管内最佳充液率。实际上，在热管内毛细层的角落区域有一个死区，没有液体参与流动，充液管路也存在着有液体损失，实际充液量可通过减去该损失来确定。因此改变充液率大小可弥补工作介质上的缺陷，提高柔性热管传热性能，对今后柔性热管的发展和研究有着重要作用。

（3）研究新型工质增强传热性能。基于大量研究发现，利用混合物作为柔式热管的工质能够提高其传热极限，且混合工质也可在低温区间及高于低温区中各组分所处临界点温度下运行，研究新型混合工质将有利于提高柔性热管传热效率。

（4）利用柔性热管对人体进行散热。目前，病人手术后局部发热的降温效果不佳，对柔性热管式人体降温研究能够很好地解决这一问题，不仅降温效果高效、成本低廉，而且不会对病人的生理机能造成损害、产生不适感。

5 结论

文章介绍了柔性热管的基本结构、应用原理及研究现状，对影响柔性热管性能研究进行分析，得出结论：

在一定范围内，随弯曲角度的逐渐增大，弯曲会干扰柔性扁平热管中蒸发器到冷凝器的蒸汽流，柔性热管传热热阻也随之增加，传热性能也将降低；当热管达到毛细管极限时，毛细管体的毛细管力不足导致冷凝液体无法完全回流，蒸发器蒸发干燥导致热管故障；处于一定条件下，15%工作流体填充比的柔性管具有最小的耐热性，而填充率为45%的管道具有最佳的抗重力性能。