脈動(dòng)熱管理論及技術(shù)進(jìn)展

　　脈動(dòng)熱管作為熱管家族新成員，相對傳統熱管和其他的散熱器件有著(zhù)很大的傳熱優(yōu)勢，能夠實(shí)現高熱流密度的微型電子器件的散熱要求，近年來(lái)很多學(xué)者開(kāi)展了對脈動(dòng)熱管的理論和技術(shù)研究，本文主要從以下方面介紹脈動(dòng)熱管研究進(jìn)展: 實(shí)驗研究，通過(guò)可視化和傳熱性能實(shí)驗，觀(guān)察流型變化并分析傳熱強化效果；理論研究，通過(guò)建立脈動(dòng)熱管的簡(jiǎn)化模型，采用數值模擬的方法觀(guān)察流動(dòng)過(guò)程中流態(tài)的變化或者采用數值編程計算的方法分析求解脈動(dòng)熱管的傳熱過(guò)程；管路結構改進(jìn)研究，采用不同的脈動(dòng)熱管的管路形式來(lái)實(shí)現兩相流工質(zhì)的合理分配，減兩相流的局部阻力，從而分析其對傳熱的影響。

1、引言

　　隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，電子元件的高頻、高速化和集成電路的密集化和小型化，這些因素都使電子元件的單位容積發(fā)熱量迅速提高，需要的散熱手段具有以下特點(diǎn)，即緊湊性，可靠性，靈活性和高效性。電子器件的冷卻技術(shù)越來(lái)越成為制約電子工業(yè)的發(fā)展的關(guān)鍵。

　　脈動(dòng)熱管是20 世紀90 年代由Akachi 提出的一種新型熱管。它是將細小的毛細銅管彎曲成蛇形結構，管內抽真空后注入工質(zhì)，工質(zhì)在表面張力的作用下以液塞和氣塞的形式存在。一端置于加熱端，另一端置于冷凝端，內部隨機形成的氣塞和液塞在壓力差的作用下會(huì )隨機形成振蕩流動(dòng)，將熱量從蒸發(fā)端流至冷凝端。

　　脈動(dòng)熱管分為開(kāi)路型和回路型，回路型包含帶有單向閥和不帶有單向閥2種形式，如圖1 所示。脈動(dòng)熱管相對傳統的熱管和散熱器件具有無(wú)可取代的優(yōu)勢，管式脈動(dòng)熱管和板式脈動(dòng)熱管的技術(shù)應用如圖2所示。

圖1 脈動(dòng)熱管基本結構

圖2 脈動(dòng)熱管技術(shù)應用

　　脈動(dòng)熱管雖然結構簡(jiǎn)單，但是在運行過(guò)程中工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)及傳熱機理非常復雜，其總體的換熱效果受到多種因素的影響，比如充液率，傾斜角度，管徑，工質(zhì)的熱物性等。近年來(lái)研究人員對脈動(dòng)熱管的關(guān)注越來(lái)越多，并且大多數是以典型的多彎頭回路脈動(dòng)熱管作為研究對象，從試驗，理論建模，管路改進(jìn)和技術(shù)應用方面進(jìn)行研究。

試驗研究

　　脈動(dòng)熱管作為兩相流熱力系統，管內工質(zhì)的流動(dòng)形式對于換熱機理的研究非常重要，可視化研究是很必要的，它可以為傳熱機理的研究提供分析依據。目前的可視化實(shí)驗裝置一般選用各種玻璃制作脈動(dòng)熱管試件，采用高速攝影裝置對實(shí)驗過(guò)程進(jìn)行拍照和錄制，便于分析啟動(dòng)和穩定運行時(shí)的流態(tài)變化。

　　李驚濤等采用電容層析成像方法進(jìn)行脈動(dòng)熱管內微尺度兩相流的可視化監測及液膜厚度的測量。試驗結果表明在不同的工況下脈動(dòng)熱管存在3種流型，即塞狀流，環(huán)狀流和前2 種的混合流，并且液膜的厚度測量值也與實(shí)際相符。采用該種方法與普通的可視化攝影相比具有一定的優(yōu)點(diǎn)。屈健等采用MEMS技術(shù)，在硅基芯片上制作了梯形截面的微型脈動(dòng)熱管。結果發(fā)現啟動(dòng)非常迅速，但在啟動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有觀(guān)察到明顯的核態(tài)沸騰，加熱端的氣塞主要通過(guò)液塞的斷裂而形成，冷凝端觀(guān)察到噴射流，對傾斜角度的適應性較強。冼海珍，Xu等對典型的多彎頭回路脈動(dòng)熱管進(jìn)行可視化研究，觀(guān)察脈動(dòng)熱管中流型的轉化(泡狀流，塞狀流，半環(huán)狀流，波環(huán)狀流，環(huán)狀流)及彎管部分工質(zhì)的變化，研究發(fā)現管徑大小，加熱功率和傾斜角度等對管內流型都有很大影響，彎頭是影響熱管運行的重要結構，豎向通道流型如圖3。Tong等觀(guān)測到氣泡的凝聚過(guò)程，如圖4所示。

圖3 多環(huán)路典型流型

圖4 氣泡的凝聚過(guò)程

結語(yǔ)

　　脈動(dòng)熱管自從20世紀90年代提出以來(lái)，得到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，探索了脈動(dòng)熱管的傳熱機理和運行特點(diǎn)，并且取得了有價(jià)值的研究成果，但是在理論方面還有待于進(jìn)一步加深研究，攻克難點(diǎn)，比如說(shuō)納米流體工質(zhì)的應用，特殊結構的研究等。目前脈動(dòng)熱管技術(shù)已經(jīng)應用于電子器件散熱領(lǐng)域，而在其他領(lǐng)域，如脈動(dòng)熱管太陽(yáng)能熱水器，脈動(dòng)熱管節能空調器，脈動(dòng)熱管低溫冷卻及脈動(dòng)熱管熱泵干燥系統的研發(fā)等，都需要將脈動(dòng)熱管技術(shù)有效應用到技術(shù)中去，因此，還需要在堅實(shí)的理論，實(shí)驗基礎以及脈動(dòng)熱管技術(shù)向應用的轉化上不斷努力前進(jìn)。