脈動熱管強化傳熱及其應用研究進展

　　摘要：脈動熱管作為一種新型熱管技術，由于其結構簡單、傳熱性能好以及環境適應性強等優點，在熱管理、太陽能集熱、余熱回收等熱傳輸領域都極具應用潛力。高熱流密度器件、熱能的利用和回收等領域的快速發展，對傳熱裝置的傳熱性能和工況適應性提出了更高的要求。為進一步強化內部兩相流傳熱以及適應不同工況，結構多樣的新型脈動熱管應運而生。針對新結構脈動熱管的研究進展，主要從強化傳熱性能的內部結構優化、適應不同應用需求的外部新結構及新結構脈動熱管的應用研究三個方面進行總結。后續的研究應該在明晰運行機制的基礎上，設計出通用性的新結構脈動熱管。

　　關鍵詞：脈動熱管;新結構;優化;兩相流;傳熱

　　趙佳騰; 吳晨輝; 戴宇成; 饒中浩， 化工學報 發表時間：2021-11-18

　　引 言

　　隨著現代科技的進步，各種設備趨向于集成化、小型化和高熱流密度，各個領域對高效、高均溫性的散熱需求日益提高[1]。熱能的高效利用和回收是解決能源可持續發展問題的重要途徑。熱管是一種高效傳熱元件，被廣泛應用于熱輸送領域。傳統重力驅動熱管的單向導熱性，限制了其應用范圍;傳統毛細力驅動熱管的燒干極限較低，工質回流能力較弱，不適合長距離熱輸送[2]。脈動熱管(Oscillating heat pipe, OHP)于上世紀 90 年代由日本學者 Akachi 提出，由若干直管路和彎頭組成，依靠管內工質交替蒸發膨脹和冷凝收縮產生的壓力差以及相鄰管間的壓力不平衡提供整體驅動力[3]。脈動熱管不僅能夠通過氣液相變傳遞潛熱，而且可以通過汽液塞振蕩傳遞顯熱，相對傳統熱管具有眾多優勢：結構簡單、理論熱輸送距離長、應用范圍廣、傳熱極限高、抗重力性能好、啟動迅速、加熱方式靈活等等[4, 5]。脈動熱管在太陽能熱利用、余熱回收、電子冷卻等熱輸送領域是一種簡單、可靠、經濟的選擇，應用前景良好。

　　自脈動熱管提出以來，科研人員對其啟動和傳熱特性、運行機制進行了廣泛的研究，實驗研究主要是針對流型演變，以及定量分析結構參數、操作條件等對脈動熱管啟動和傳熱性能的影響，理論研究通常是建立簡化模型來模擬并定性分析脈動熱管內部多相流動和傳熱傳質過程[6]。現有綜述大多是對脈動熱管實驗和理論研究的進展以及常規脈動熱管的應用研究進行總結，各有側重，少部分涉及了通過結構改進來強化傳熱[6-10]。近年來，為了強化換熱和適應不同工作需求，研究人員設計、制造和測試了結構多樣的新型脈動熱管，并對各自提出的新結構脈動熱管啟動和傳熱特性及應用做了大量研究，但尚無一種通用的結構形式，距離商業化應用前路漫漫。本文對已有研究中涉及脈動熱管結構改進的方法進行提煉，得到如圖 1 所示的發展脈絡，圖中圓的大小代表這一方法的權重，兩個圓之間的距離及線寬表示兩個方法之間的親緣性，顏色代表這一方法所處年份的平均。從圖中可以看出，前期的研究主要偏向于內部結構改進以強化傳熱，并隨著技術的進步而發展，例如，內部結構改進的方法按時間排序為：截面形狀、止回閥、截面尺寸和內表面修飾;近年的研究趨向于外部結構改進，除部分以強化傳熱為目的外，開始面向特殊工況的傳熱需求，結構多樣但現有研究相對較少;此外，部分研究涉及多種結構改進方法，在提升工況適應性的同時考慮了強化傳熱，是進一步的發展趨勢。

　　為了更好地呈現新結構脈動熱管的發展脈絡，本文主要從以下三個部分進行綜述：強化熱性能的內部新結構、適應不同工作要求的外部新結構以及新結構脈動熱管的應用，希望能夠為通用性新結構脈動熱管的設計和優化提供參考。

　　1 脈動熱管內部新結構及傳熱強化

　　脈動熱管由于較長的流動通道，增加了啟動熱流密度，限制了其在低熱流密度工況下的應用;此外，脈動熱管工質的運動受到驅動壓差、表面張力、摩擦力和重力等的綜合作用，且受表面張力的影響較大，會一定程度的削弱脈動熱管啟動和傳熱性能[11]。除工質熱物性參數、操作條件和外部條件等以外，包括通道壁面結構、截面形狀和尺寸等內部結構參數是影響脈動熱管啟動和傳熱特性的重要因素[9, 12, 13]。基于脈動熱管工作原理，內部結構改進主要從兩個方面協同強化脈動熱管性能：一是強化工質與壁面的換熱，二是提高循環驅動力、促進工質的振蕩[14]。實現方式有內表面修飾和通道結構改進[8, 15]兩種。

　　1.1 通道內表面修飾

　　工質與脈動熱管通道內表面的相互作用直接影響其在管內的振蕩運動狀態和相變傳熱速率[16, 17]。通過調整通道內表面多尺度結構實現工質運動調控和相變傳熱過程強化屬于無源強化手段[18]，調控表面尺度微結構不僅可以促進氣泡的核化、生長和溢出以及冷凝液滴的形成和脫離，增強壁面與工質換熱，還可以改變其浸潤性，利于調控工質與通道表面的毛細力和摩擦力[19-21]。因此，合理的修飾脈動熱管通道內表面，可以有效強化其傳熱性能和啟動特性[22, 23]。

　　1.2 通道結構改進

　　通過異型或非均勻設計對脈動熱管通道結構和布置進行改進，合理匹配不同區域的毛細驅動力和工質流動阻力，是提升脈動熱管性能的一種簡單有效的方法[9, 25]。

　　1.2.1 截面形狀 脈動熱管通道截面形狀直接影響脈動熱管內部汽液塞分布及流型轉化、壓差驅動力及流動阻力，其中截面尖角的影響尤為突出[6, 54-56]。

　　1.2.2 非均勻截面尺寸 受工質密度和表面張力的影響，脈動熱管管徑過大會導致氣液分層，難以形成汽液塞，管徑減小又會增加毛細阻力[6, 55]，而在非均勻管徑的通道中工質在不同區域所受的流動阻力和驅動力不同，局部壓差驅動力會促使管內工質向阻力小的方向流動，增強汽液塞振蕩頻率和幅度，從而起到強化傳熱的作用[8]。

　　1.2.3 止回閥 由于 OHP 運行過程中隨機出現的工質停頓、反轉和振幅小等現象，導致其傳熱性能降低 [116]。Miyazaki 等人[117]提出了帶止回閥的 OHP，可促使工質單向循環、提升燒干極限。萬珍平等人[116, 118, 119]分別在 OHP 蒸發段和冷凝段集成隔膜式止回閥，可促使工質實現穩定的單向流動，提升傳熱性能，不同條件下可使熱阻降低 20.35%~31.28%，但當止回閥對工質流動的促進方向和 OHP 自身流向相反時出現傳熱性能下降的情況;在實驗結果基礎上建立了止回閥 OHP 在對稱加熱時的數學模型。Thongdaeng[120] 等人通過可視化實驗研究了頂部加熱模式下帶止回閥的 OHP 內部流型和傳熱特性，在蒸發器溫度為 125 ℃、傾角為 90°時，最大熱通量可達 2670.427 W/m2。左洪桃等人[121]研究了止回閥數量對 OHP 傳熱性能的影響，熱流隨止回閥比的增加而增大。Meena[122, 123]、Supirattanakul[124]、Bhuwakietkumjohn[125-127]、 Rittidech[128]和 Ando 等人[129]通過傳熱和可視化實驗對帶止回閥的 OHP 在不同傾角、運行溫度、工質、充液率和重力等條件下的流動和傳熱特性進行了詳細的研究，止回閥的布置應該使其對工質流動的促進方向和 OHP 自身流向相同，且強化 OHP 傳熱性能的效果受操作條件的影響較大。止回閥與脈動熱管的集成較為簡單，可以與前述結構改進方式耦合，進一步提升強化效果。

　　2 脈動熱管外部新結構

　　為了強化換熱以及適應不同應用環境和工作要求，研究人員對脈動熱管外部結構進行局部或整體改進[24, 30, 130]，或者與擴熱板[131, 132]、翅片[133, 134]和泡沫金屬[135]等耦合，設計具有不同結構的新型脈動熱管，并對改進后的新結構脈動熱管的啟動和傳熱特性進行了大量的研究[136-138]。

　　2.1 蒸發(冷凝)端新結構

　　對 OHP 蒸發端或冷凝端進行局部結構改進，可以增強冷熱端壓差，促進工質循環，從而提升傳熱性能[139]。Sedighi 等人[139]在蒸發段添加如圖 6(a)所示的支路，數值分析和可視化實驗結果表明附加支路可以促進工質的單向循環，部分冷凝回流工質與附加分支熱流體的混合可以降低蒸發段溫度;通過傳熱實驗對比了帶附加支路 OHP 與常規 OHP 的性能，熱阻平均下降 11~20%。Kato 等人[28]在單直管 OHP 冷凝段頂部采用厚度為 0.08 mm 的乳膠片，以釋放 OHP 振蕩過程中內部體積波動引起的壓力變化。曹濱斌等人[140, 141]提出冷凝端頂部添加擴容室的擴容型 OHP，如圖 6(b)所示，能夠降低冷凝端壓力以增大冷熱端壓差，有效提升 OHP 啟動性能，增大擴容室體積可以進一步提升啟動和傳熱性能;但由于擴容室和 OHP 僅通過喉管連接，加熱功率較高時過多工質滯留在擴容室，傳熱性能下降;基于實驗結果的分析發現， OHP 運行過程出現“蝴蝶效應”、自組織等混沌力學特征的現象。Wang 等人[142]提出了具有周期性漲縮式冷凝器的 OHP，數值模擬結果表明，漲縮式冷凝器可以引起主流分離并破壞熱邊界層、提高汽液塞振蕩頻率，有助于提升 OHP 傳熱性能，增幅可達 45%。Davari 等人[143]對比了具有直管、立式和水平波紋管冷凝段的 OHP 性能，如圖 6(c)所示，水平波紋管結構可以促進冷凝液滴的形成，傳熱系數最高。

　　2.2 新型管路結構

　　管路結構是脈動熱管關鍵的結構參數，且管路的改變較為簡單、樣式多樣，如何對管路進行合理的改進以提升脈動熱管性能、適應工作需求，目前已經有大量的探索[36, 37, 148, 165-169]。旋轉機械由于其特殊的旋轉工況，給散熱帶了挑戰。Qian 等人[170, 171]采用的是單回路 OHP。而 Aboutalebi 等人[172]首次提出了花瓣狀的旋轉閉式 OHP，旋轉工況產生的離心力可以促進中心冷凝端工質回流至外部蒸發端，從而延緩燒干極限，提高 OHP 熱效率;隨轉速增加，傳熱性能和燒干極限進一步提高，所有轉速下，最佳充液率為 50%。對如圖 7(a)所示的旋轉 OHP，Kammuang-lue 等人[165]還發現增加匝數可以降低冷熱端之間的絕對熱阻，但工質循環阻力增大，增加了單位面積的熱阻。Dehshali 等人[173] 研究了熱輸入、轉速和工質等參數對旋轉 OHP 熱阻的影響，證明旋轉 OHP 可以有效冷卻旋轉裝置，并通過建立相關性來預測其熱流量，但還需要更多實驗數據以提升預測精度。

　　2.3 三維脈動熱管

　　面對高均溫需求、高熱流密度、空間結構復雜的散熱工況，傳統的二維脈動熱管有時難以滿足要求，針對實際應用工況的管式和板式三維脈動熱管應運而生。為了增加復雜空間內的傳熱自由度，曲捷等人[189, 190]將二維 OHP 彎曲成多層三維 OHP，4 層 OHP 的啟動和傳熱性能優于其他層數 OHP，且在 50%充液率時達到最佳;隨著冷卻風速增加和傾角減小，啟動溫度降低，燒干極限提升;只有傾角對不同層沿長度方向的熱阻有顯著影響，表層與內層的熱阻差隨傾角的減小而增大。此外，曲捷等人[191]對比了三維 OHP 和多個二維 OHP 與石蠟的耦合性能，石蠟/三維 OHP 比石蠟/多個二維 OHP 需要更多的時間完全熔化，而固化時間更短，說明三維 OHP 相對于多個二維 OHP 管具有更好性能。凌云志等人[192, 193]在多層結構的基礎上設計了葉狀三維 OHP，相同工況下電子器件表面溫度比多層 OHP 低 2 ℃，傳熱性能更優。

　　3 新結構脈動熱管應用研究

　　考慮到脈動熱管優良的傳熱和運行特性，已經被廣泛應用于各個領域來增強傳熱，效果顯著，新結構脈動熱管是在適應實際工況、進一步強化換熱的基礎上提出的。

　　3.1 熱管理

　　3.1.1 LED 熱管理 LED 相比傳統光源具有不可比擬的優勢，雖然總發熱量不高，但熱流密度可達 106 W/m2[68]。而溫度過高會導致 LED 發光效率下降、顏色發生紅移和壽命縮短等問題，限制了其進一步的應用[2]。

　　板式 OHP 可以與 LED 芯片較好的貼合。鄧阿強等人[152, 153]將翅片板式 OHP 用于大功率 LED 冷卻，不同功率下強制風冷的散熱效果顯著，溫度均勻;隨著 LED 功率和基板面積增大，熱管更容易啟動;高溫 40 ℃環境下 OHP 仍可有效冷卻，且啟動時間縮短。林梓榮等人[2]通過如圖 8(a)所示的翅片板式 OHP 對 64 W 燈盤有效散熱，保持最高溫度在 70 ℃以下。李志等人[68, 69]還研究了不同冷卻方式、熱管結構參數和翅片面積對翅片板式 OHP 熱管理性能的影響，結果表明，自然對流只能對功率低于 52 W 的 LED 有效冷卻，使冷卻效果較優的參數分別為：充液率 30%~50%、丙酮為工質、三角形截面、1 mm 水力直徑、翅片面積 0.24 m2。李楠等人[5]提出的平板兩側通道交叉分布的三維 OHP 可以對 167 W 功率以下的 LED 有效散熱，相同條件下該熱管相比文獻值體積更小，傳熱性能更好。

　　3.1.2 其他電子器件熱管理 隨電子技術的飛速發展，電子器件趨向集成化、小型化，熱流密度急劇增加，且溫度同樣對電子器件的性能和壽命影響較大，這對熱管理技術提出了挑戰。Miyazaki 等人[209]為筆記本電腦散熱設計了直線型和機翼型混合柔性 OHP，如圖 9(a)所示，在轉軸處為可彎曲的特氟龍管，可有效將 CPU 熱量傳遞到顯示屏后表面進行散熱，最大傳熱能力可達 100 W。屈健等人[74]在半導體中嵌入梯形截面通道微平板 OHP，可以顯著降低最大局部溫度，提高溫度均勻性，蒸發器溫度最大降幅可達 34.1%。林梓榮等人[2]基于 OHP 開發了平板蒸發端設有翅片，管路呈 U 型和 L 型的 GPU 散熱模組、翅片板式 1U 服務器散熱模組，分別如圖 9(b)、(c)所示，性能優于傳統熱管。陸謙逸等人[1]研究了基于翅片板式 OHP 的封閉機柜流場特性，OHP 啟動后機柜內的空氣溫度降低，溫度分布更加均勻，OHP 充液率與機柜發熱功率相適應時效果更好;對機柜冷卻系統進行了內部結構設計，并建立簡化模型進行數值模擬研究，可保證功率不超過 1380 W 的機柜 CPU 溫度低于 60 ℃。Maydanik 等人[155]將帶擴熱板和翅片的立體環形 OHP 用于電子冷卻，如圖 9(d)所示，驗證了不同加熱模式、傾角和工質等條件下熱管的可靠性，甲醇確保了在均勻和集中兩種加熱模式下在最寬的熱負荷適用范圍，但在頂部加熱、水為工質時熱管無法啟動。Dmitrin 等人[156]進一步研究發現，該 OHP 具有變和恒定導熱系數兩種工作模式，低熱負荷時熱阻隨熱負荷的增加而顯著降低，脈動機制激活后則變化較小直至最小值。如圖 9(e)所示，凌云志等人[192, 193] 將葉狀三維 OHP 與相變材料耦合，用于電子設備的冷卻效果優于典型多層三維 OHP，與傳統的空調系統地板送風直接冷卻相比，可以降低 50%的熱阻;該耦合模塊用于數據中心冷卻，在降低 42.5%的熱阻、保證溫度不超過最大結溫的同時，每年能夠節約 186 kW·h 的電量。

　　3.1.3 其他熱管理應用研究 脈動熱管由于其在傳熱和結構方面的巨大優勢，在其他熱管理領域也開展了廣泛的應用研究。

　　周智程等人[160]將帶擴熱板和翅片的二維 OHP 用于動力電池熱管理，以混合比 1:1~2:1 之間的乙醇水為工質的 OHP 具有更好的啟動和傳熱性能;30%充液率、48 W 加熱功率條件下，電池平均溫度可控制在 44 ℃左右，溫差低于 1.5 ℃，均溫性較好。通過空氣換熱器復制車輛環境，Burban 等人[158]證明了如圖 10(a)所示的具有擴熱板和翅片的三維 OHP 是混合動力汽車電池熱管理的有效解決方案，但工質必須要與冷卻空氣溫度的工作范圍相適應。屈健等人[37]研究發現具有微槽冷熱段、可變形絕熱段以及翅片的混合柔性 OHP 在不同空間布置下傳熱性能良好，為復雜空間的電池熱管理提供了一種可能的解決方案。王海等人[30]將平板蒸發器內含燒結銅顆粒的三維 OHP 應用于聚光光伏電池冷卻，如圖 10(b)所示，熱通量為 5.88 W/cm2 時可以將電池的溫度保持在 57 ℃以下，這相當于法向太陽輻射強度的 58.8 倍。

　　3.2 太陽能集熱及余熱回收

　　脈動熱管已經在太陽能集熱器領域展現出巨大的應用潛力[194, 195]。針對傳統太陽能集熱器的缺陷，陳洋等人[194, 195]受向日葵啟發設計了如圖 11(a)所示的花型 OHP，蒸發段采用花瓣形狀充分吸收太陽光，冷凝段卷成圓筒狀置于結構下部有效減少占地面積，隨著吸熱板溫度升高，OHP 熱阻最低可降至 0.14 ℃/W，并通過熱損失理論分析與實驗值進行比較，反映各區域的熱損失;晴天條件下集熱器可以穩定運行 7 小時，系統瞬時熱效率可達 50%。Rittidech 等人[211]研究了帶止回閥閉式 OHP 的太陽能集熱器性能，結果表明，集熱器效率可達 76%左右，效率的波動與時間、太陽輻射強度、環境溫度和圓管表面溫度等有關，且該集熱器具有無腐蝕和避免冬季結冰的優點。

　　3.3 其他應用研究

　　除上述應用研究以外，研究人員還根據其他各個領域的熱傳輸需求設計了新結構脈動熱管。 Supirattanakul 等人[124]在空調冷卻盤管前后添加了帶止回閥的立體環形 OHP，如圖 12(a)所示，在室內設計溫度 20~27 ℃范圍內、50% rh 相對濕度條件下，新冷負荷增加了 3.6%，有效減少能耗，OHP 空調系統的 COP 和 EER 值分別可提高 14.9%和 17.6%。 Yeboah 等人[130]將內置止回閥的螺旋管式 OHP 與圓柱形固體干燥劑填充床系統集成用于等溫吸附，相比單匝閉式 OHP 具有更大的蒸發器，可以容納更多的工質，并管理更大的熱輸入，蒸發器有效熱導率的變化會影響接觸面處的接觸熱阻和蒸發器的最大熱輸入量。

　　4 總結與展望

　　脈動熱管由于其結構簡單、傳熱性能好以及環境適應性強等優點，具有廣泛的應用領域和極大的應用潛力。面向高熱流密度器件、熱能的利用和回收等領域的高導熱性和工況適應性需求，脈動熱管技術的發展趨勢呈現結構多樣化、功能實用化等特點，研究人員從強化傳熱和提高工況適應性等角度提出了結構多樣的新型脈動熱管。本文從強化熱性能的內部新結構、適應不同工作要求的外部新結構以及新結構脈動熱管應用研究三個方面進行歸納總結，得到的結論如下：

　　(1) 脈動熱管的內部結構改進可以從增強工質與壁面換熱、提高循環驅動力、促進工質振蕩等方面協同強化脈動熱管的啟動和傳熱性能。脈動熱管內表面結構和浸潤性修飾，可以有效促進液體補充、氣泡的核化、生長和溢出以及冷凝液滴的形成和脫離，增強工質與壁面換熱;通過通道結構或布置方式的異型和非均勻設計，能夠影響初始汽液塞分布和流型變化，引入附加驅動壓差和壓力擾動。

　　(2) 對脈動熱管外部結構的改進能夠從特定角度強化傳熱。為促進循環并增強擾動，以附加支路、連通管和特斯拉閥等形式添加管路，或引入多通道并聯結構;在冷凝端頂部添加乳膠片、擴容室等，或改進為周期性漲縮式冷凝器，以增大冷熱端壓差;通過管式立體環形結構、板式多層通道等增強單位體積的傳熱能力;耦合翅片和泡沫金屬等結構的傳熱優勢，強化散熱;為降低重力影響，引入冷熱端匝數不均、雙管等結構。

　　(3) 上述新型脈動熱管的結構改進有效強化傳熱，能夠滿足各個領域的高熱流密度傳熱需求，而對于復雜工況的應用，多種脈動熱管外部新結構被提出：為保證與冷熱源接觸的擴熱板、平板蒸發器和螺旋管等;設計花瓣狀管路以適應旋轉工況;針對局部熱點問題的徑向脈動熱管;針對空間復雜工況，提出了多層管路、冷熱段平行或垂直、可變形絕熱段等三維脈動熱管。