振荡热管研究进展及展望

　　0引言

　　电子、微电子设备的小型化、集成化己经成为技术发展的趋势，而随着集成化程度的提高，单位面积的散热功率増大，恶劣的热环境将会严重影响电子元件的功能和使用寿命，热问题正在逐步的尖锐化。研究表明，单个电子元件的温度每升高10°C，系统的可靠性将降低50%,超过55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。因此电子设备的可靠性及其性能需要有良好的散热手段来保证。振荡热管是热管家族中最新也是最独特的一种热管，其导热能力远远超过任何己知金属，它同时具有结构简单、紧凑高效、轻便、热响应快等优点，被视为目前空冷强迫对流解决微小空间高热流密度散热方案中一种极具前途的传热元件，得到了全球科学界和工程界的高度关注。

　　振荡热管源于热管。热管也称为普通热管，是依靠两相热虹吸原理工作的超导元件，如图1所示。在为小型、微型设备散热服务时，热管势必要做小，称为微型热管，由Coe于1984提出。当热管管径小到一定程度时，气液的逆向流动受阻，热管传热能力很有限，于是就出现了把热管作成环路的想法，进而发展为振荡热管，如图2所示。

　　振荡热管也称为脉动热管、自激振荡流热管、回路热管等，其工作机理己不同于普通热管，管中的工作液因为沸腾、冷凝、表面张力、压力等原因，形成汽液栓振荡两相循环流动，现象奇特而有趣，导热能力可达到现有金属材料的数十倍13。虽然也称为热管，但是振荡热管和普通热管机理不同，是一种新制式的传热元件。

　　振荡热管的概念是由Akachi于1990年首次提出，其后的近十年间，研究进展相对比较缓慢。1999年在日本举行了第11届国际热管会议。在此次会议上，GiK51采用毛细玻璃管制作了振荡热管，可定性地观察到了汽弹和液弹在玻璃管内上下振荡，引起了与会者极大的兴趣。随着电子技术飞速发展，散热问题也日益严峻，对振荡热管的研究和开发都活跃起来。

　　1理论研究现状

　　振荡热管的理论研究刚刚初步展开，研究成果还比较少。己有的理论模型过于简化，研究结果不能如实地反映实际运行情况，理论模型预测结果与实验数据偏差较大。对己有的模型大致可分几类：

　　第一类为弹跳质量减弹模型，如：ZJZU6]将振荡热管内部汽液组成简化为一个质心的运动，建立了单弹簧一质量一阻尼系统模型，通过求解二阶微分方程来描述热传递过程中质心振荡随时间的变化规律，其中的弹簧弹性系数与时间有关，得到的管内流动解是周期振荡的，将该模型分析结果与其他研究者的实验结果相对比表明这一模型具有很大的不足。在“单弹簧一质量一阻尼器”模型的基础上，TNW?gi提出了“多弹簧一质量阻尼器”模型，这一模型利用Lagangian逼近法研究了气塞和液柱的动力特性，在模型中设定了假想压力项来模拟加热段的加热作用，因而并没有考虑任何传热和相变过程。这一模型比“单弹簧一质量一阻尼器”模型有所进步，能说明一定的问题，但实验现象表明振荡热管运行时的压力波动和其内部复杂的传热现象是密切相关的，因而这一模型也有很大的应用局限。曲伟等建立了质量一弹簧步分析。

　　第二类应用质量、动量、能量基本方程建立模型，如：MBShafi等101和TWZhng等用守恒方程组建立了具有开端和封闭管路的薄液膜蒸发、厚液膜冷却模型，得到的近似的周期性解。Miyaali121假设大量气塞与液柱初始均匀分布，并且气塞与液柱在振荡热管中的分布具有明显的界面，然后将质量、热量和动量守恒方程应用到气塞和液柱的质量、热量和动量传递分析当中，模拟了振荡热管的运行，给出了一些有用的结果（如压力和速度的振荡）由于这一模型没有考虑实际运行当中气泡的生成、气泡聚合成气塞、气塞之间的融合以及液柱的断裂等复杂的现象，这一模型的最终计算结果表明这些气塞和液柱将聚合成若干个较大气塞和液柱，并处于有规律的振荡，这与实验现象也是不符的。DKmtlv等[13]通过守恒方程对微槽平板振荡热管的最大传热能力进行了研究，分析了液体输运极限和沸腾极限，同时考虑了轴向槽道截面形状的影响。主要得到以下几个结论：1)单位宽度上槽道数増加，传热系数増大；2)从垂直放置的铜水热管传热能力曲线可知热管存在最佳宽度和最佳深度;3)在某一处是否出现沸腾取决于此处的弯月面半径和过热。Swnepoe等[141以液塞及其两边的气泡作为单元控制体，应用质量、动量、能量守恒控制方程建立模型。该模型不能给出液塞的确切的运动结果，仅是预测液塞宏观的运动趋向。张丽春等1361对热管内部的流动和传热传质建立了模型，分析了液膜厚度和弯月面的轴向分布、汽液压力、弯月面半径的轴向变化，得到了热管外壁面的温度分布以及热管的传热能力。模型和实验数据吻合较好。此类模型目前尚不能反映气泡的合并和破裂过程，流型及流态的转换过程，振荡流动的混沌性等。离实际预测还有差距。李惊涛1151从微通道管内流动及沸腾与凝结换热的研究中得到启发，突破单个液柱和汽泡的限制，从整体上把握系统内两相流型及流动参数的变化，将脉动热管简化为一个单回路闭合系统，针对稳定循环流动的情况，建立分相流动模型。

　　第三类为其他建模方法。如Maeawa等通过测得的壁面温度分析发现，液塞振荡是非周期性的，认为振荡热管的运行特性属于混沌现象。之后，利用混沌动力学分析了单一圆环振荡热管中的两相流动，但并未给出实验验证。Khandekr崔晓钰等利用人工神经网络建模分析振荡热管的传热特性，但是考虑的影响因素还比较少，模型仅适用于所研究的个-阻尼器模型，对低麵辰荡热管运行机制进行了初体，不具有共性。

　　2实验研究现状

　　对振荡热管的实验研究己有了初步的研究积累。分析资料可以发现，大多数研究资料只描述了试验结果，对实验结果研究不够。而有所探究的研究者对振荡热管内在规律认识不相同，实验动机各异，结论千差万别，对实验现象及各因素对振荡热管传热性能的作用缺乏深入合理的解释。实验研究可分为可视化研究和非可视化研究两大类。

　　可视化实验研究是用玻璃管内部充液方式作试验，研究成果直观反映了振荡热管运行时出现的物理现象和规律。如：BYT〇g等进行了玻璃管闭合回路振荡热管可视化实验:整体尺寸160mmX160mm通道弯数7内径118mn的振荡热管内充有60%的甲醇；电加热载荷50W振荡热管水平和垂直两个方向放置。实验观察到该振荡热管在启动时由于泡状沸腾引发噪声，振荡幅度比较大，流动方向也没有规律，偶尔出现大部分管内的液流同时流向冷却段，导致加热段暂时干枯和冷却段暂时滞流。正常工作后，出现循环流动，并且循环方向是固定不变的，随着热流密度的増加，循环速度也加快，在整个的循环过程中，液塞同时做局部振动。此外，该实验还观察到了核态沸腾、气泡结合、波动流、气泡随机产生、气泡分布不均匀、气泡及液塞的长短不同、每个气泡的可压缩性不同、液塞的惯性不一致等现象。李惊涛1151用电容层析成像识别（ECT技术分别对均匀截面和非均匀截面振荡热管进行了可视化研究。文献[21]尝试用质子射线技术对一平板开槽型振荡热管的流型作可视化研究。振荡热管总体尺寸为190mmX50mmX13nn采用开式回路结构，单个矩形槽横截面的尺寸为06mmX07mn文献[22-23]用内径1mn30个弯头的铜管，R142t为工质，分别在底加热、水平及顶加热3种情况下，研究了闭式回路的传热特性。实验发现:不同的加热方式下，闭式回路对应不同的最佳充灌率。Lee等124用铜板开槽、聚丙乙烯密封的办法进行了可视化实验，工质为酒精，槽尺寸为1.5mmX15mm充液率从20%~80%，倾斜角从30°~90°观察了管内流型，气泡的生成和运动，研究了充液率和倾斜角对流型和振荡的影响。观察到蒸发段典型流型是核态沸腾和气泡振动，大多数活跃的振动发生在40%~60%充液率和90°倾角。Miyazk等[251观察到偶尔出现稳定的波动流，但通常是不稳定的，波形、波的产生位置、波的传播方向随时间是变化的。文献[26]研究的闭式回路热管:有10个弯头的玻璃管贼内径24_扣外径40mm水作工质并加入少量的黑墨水便于观察。其缺点是实验精度不高。文献[27]研究的闭式回路热管，有10个弯头的聚乙烯管组成，内径为1.8mm实验观察表明，存在一个最小热启动负荷，使流体在回路中能沿某个固定方向循环流动。文献[28~30]分别用单回路及5回路的玻璃管对流型及流态转换进行了可视化研究。接着又对5回路、20回路的铜管进行了实验研究。研究了工质的种类及充灌率大小、热负荷大小、倾斜角度等对振荡热管运行性能的影响。杨蔚原等1311在玻璃一水闭合回路振荡热管可视化实验中发现:稳定运行时，在加热段气泡剧烈膨胀是振荡热管内的典型现象，但很少观察到核态沸腾;底端加热时，管内工质单向流动和液塞局部振动是显著特点;在某些充液率和工作条件下热管的运行不稳定，有或长或短的间歇。曲伟等|22^331对8个及10个弯头组成的封闭回路作了可视化及半可视化试验，材料为铜管和玻璃管组成，管内径18mm，外径20mm。考察了输入功率、倾斜角以及不凝结性气体等对流型和热力性能的影响。

　　非可视实验研究目的在于追求高的传热性能，一般米用金属一液态工质为工质对，大多考察某个或几个因素作用在振荡热管上对传热性能产生的效应。这些因素大致可分为三类：（1)几何参数:包括振荡热管的总长、直径、截面形状以及加热段/冷却段/绝热段的长度和通道弯数，是否加吸液芯；（2)物理参数:工作介质的品种、充注量，管子材料；（3)操作参数:加热和冷却的方法、位置，热流密度的大小，启动条件，工作时振荡热管的倾斜角度，是否带有单向阀。如：文献[34]指出，管内毛细力和工质的表面张力影响振荡热管管径大小。并给出了相应的计算公式。汪双凤、西尾茂文|35]对五种加热段长度/冷却段长度（L/L)的分配为50mm/50mm75_/50mm50_/75mm50mm/25mm和25mm/50mm分别在充液率为50%、60%、70%和80%的条件下进行实验，发现：（1）较氏的充液率时，等长度分配L=L最好，有最大的极限热输送能力和最小的热阻；（2)较高充液率时，不等长度分配比较好，其中以加热段长度大于冷却段长度的分配最好；（3)较高充液率时，热管各种长度比的极限热输送能力从大到小排序为：L>LL<LL=L〇等=实验研究了两个铜水振荡热管，矩形槽道的宽为01_和Q12mm深为025mm实验发现极限的出现依赖于工作温度;工作温度提高，传热能力増大;竖放的热管较水平的热管有更大的传热能力;热管的有效热导可以达到铜的100倍。AkaCi等1371研究发现，振荡热管的弯道数大于某个值时，其热阻与倾角无关，在他们的实验条件下的弯道数临界值为8Q曹小林等|S|研究了环路型铜一乙醇脉动热管的环路数目分别为2028364044时对热阻的影响。Chaoensawan等139_401证实了临界值的存在，认为临界值与介质、管径、加热热流密度有关。当通道弯数小于临界值，水平和顶端加热时运行较差;底端加热，垂直放置的工况下传热量最大。同时还比较了不同管径闭合回路振荡热管中水、R123和乙醇对传热性能的影响，发现管径为2_时，水的传热效果最好；管径为1mm时，水的传热效果最差。该结论可能是物性和管径耦合作用的结果。RPonapn41对有网状吸液芯的四边形槽形成的封闭循环热管进行试验研究。文献[42-43]研究了一开式回路结构，由20弯头绕成的细铜管，内径1mm总长度24Rl42b为工质，研究了充装率和倾斜角对性能的影响。在另一套类似的实验装置里，他们还分析比较了水和R142b作工质时性能的差别，并对管内径1mm2mm时的性能作了比较。Schneider41分析认为，应该存在一个最佳的汽化潜热值。由于加热段气泡的生成和长大速率与汽化潜热值成反比，如果潜热值太小，那么气泡生成得过快，把液柱都压到冷却段，导致传热恶化，该问题可以通过増加充液率来改善;如果潜热值太大，那么气泡生成和长大的速度减慢，压力脉冲也相应减小，从而影响振荡的频率和幅度。Riidch等1451研究开放回路振荡热管，通过对比水、乙醇、R123得出结论:汽化潜热值愈低，最大传热量与水平放置传热量的比值就愈大。Miyaak等146研究内径1mm通道弯数30的铜一R142b闭合回路振荡热管在不同加热方式条件下的传热特性，发现不同的加热方式对应着不同的最佳充液率。底加热时合适的充液率较宽；水平加热的最佳充液率在45%~55%顶加热时，基本限制在35%左右。RHoPkis等1471研究了三种轴向槽道小型平板铜水振荡热管。结果发现：1)热阻是蒸发面积和冷凝面积的函数，而与工作温度无关；2)液固接触角减小，则最大传热热流増加；3h般情况下，毛细极限限制着热管的传热性能，但在高工作温度尤其是在热管竖直放置时热管以沸腾极限为主；4)在有重力辅助的热管中，只要气泡可以从蒸发段迅速跑掉，真正的沸腾极限实际上是膜态沸腾极限；5)槽道宽度小，深度大的平板热管，传热能力更大。LCLir等1481对直段内径为1.75mm弯段内径635mm40个弯段、总长446m的铜/FC-72、铜/FC-75封闭循环热管进行了试验作用下振荡热管实验研究和性能分析。范春利等150-511对具有单面槽道的微槽平板热管进行了实验研宄，得到了深微槽平板热管的最佳充液率范围，系统地研究了重力、工质种类对微槽平板热管传热性能的影响。研究发现，重力在轴向对热管的传热能力有明显的影响，而在热管的径向在小充液率时，重力的影响可以忽略;深微槽平板热管具有更加优良的传热性能。苏磊1521等对振荡热管的稳定性实验研究;观察其稳定运行时，工质的运动特征和运行现象/研究热管稳定振荡时传热性能与加热功率加热端与冷却端的布置方式的关系讨论振荡热管运行中的各种现象和运行规律之间的必然联系。张丽春等153-54对矩形槽道的不锈钢一水和铜一水热管进行了对比实验。分析了充液率、工作温度、热管倾角等对热管传热能力的影响。得到了浅槽道热管的最佳充液率范围。马永锡1551认识到振荡热管的传热特性是由多种因素共同作用的结果，采用统计方法研宄充液率、倾斜角度、加热水流量与传热功率间的关系，以及对传热的影响程度。

　　3振荡热管新技术

　　目前在传统的散热技术基础上，不断有新的技术手段涌现出来，对于振荡热管容入新概念或新技术可能是提升其传热性能的有效手段。与振荡热管相匹配的新工质研究才刚露头角。如以纳米流体为工质的振荡热管研究，2002年崔晓钰1S|提出纳米流体振荡热管的概念。2006年黄素逸1571研究发现加入纳米粉后制成的新型热管比普通热管传热效果好。刘俊红等1581实验研究了纳米磁性颗粒对热管的影响。ShugWenKng等等159研究了纳米颗粒浓度和大小对水基―银纳米颗粒悬浮液微槽道热管换热特性的影响。IseiT601对氧化铜纳米流体热管进行了研究。Mi61-’21等研究也发现纳米流体可显著増强振荡热管传热能力。2007年，上海交通大学郭广亮164实验研究了纳米流体对小型两相热虹吸管的强化，上海交通大学熊建国、刘振华1651实验研究小型重力型微槽道平板热管蒸发器内纳米流体沸腾换热特性。李启明等166发现纳米流体可以降低振荡热管的下极限热流，提高上极限热流。商福民等1671也介绍了纳米流体作为热管工作液的可行性研究。文献[68]研究表明：当振荡热管内存在气、液以及不同形态的纳米颗粒多相流动时，对传热特性会产生很大的影响，在一定条件下会起到强化传热的作用。而混合工质等作为热管工质

　　工质两相闭式热虹吸管传热特性文章。陈东等1701研究了选用非共沸混合工质的动力型可分离式热管的特性，认为非共沸混合工质的变温相变特性能够很好的匹配冷热源温度变化，使热环获得稳定的传热性能。

　　另一方面，目前大多数的振荡热管沿程管径均匀，曹小林等1711研究发现大小相间、长方向截面通道比等截面正方形对流动阻力的分配更合理，传热效果更好。要进一步强化振荡热管的传热量的途径是増加其振荡频率和提高运行的循环动力，有效方法是采用非均匀截面，而这方面的研究才刚刚起步，比如商福民，冼海珍等，周岩等分别对非均匀截面形状、不同截面形状做了相关的研究，发现在一定条件下非均匀截面振荡热管、三角形正方形截面振荡热管的传热性能优于圆形均匀截面的振荡热管。针对过程强化的更多的异型或不均匀结构或布置方式存在更大的研究空间。

　　4应用

　　在应用方面，由于单根微型热管取热能力有限，振荡热管的工业应用将成为发展趋势。例如日本TSHeatimic公司开发的用于IntelPentUm4218GHz，CP无风扇散热器NCU-100Q主体和散热翅均由铝一HF134a板式振荡热管制作，具有散热效率高、无噪声、安装方便等优点。GiK771对闭式及开式回路进行了对比研究。试验中以Rl42b为工质，2_内径的Taflon管共10个弯头，热水加热，冷水冷却。试验表明闭式回路与开式回路性能差别较大。他用振荡热管作了笔记本CRJ的冷却试验，Rl42b为工质，充灌率分别取40%、60%、80%发现60%时传热性能最佳。RMdech78-79结合铝制散热片和铜振荡热管制作了台式电脑CPU散热器，该装置与现有冷却产品相比具有更加优异的性能。但在实际应用中还需要解决稳定性问题。

　　5展望

　　研究和应用结果均表明振荡热管具有非常好的传热性能，是冷却微小型电子器件的理想装置。但是如上分析，振荡热管的研究和应用还面临着许多的困难和挑战：

　　1)运行机制的理论模型很不完善。目前己有的理论模型与实验数据偏差较大，使振荡热管的设计与应用缺乏可靠预测工具；

　　规律还没有得到。对振荡热管的运行和传热的机理，尚没有一个清晰的和统一的认识；

　　3)能够与振荡热管相结合的新散热技术包括工质和结构的研究才刚露头角。

　　由此可见，振荡热管是微小空间高热流密度空冷强迫对流散热问题的一种极具前途的新散热技术也是国内外传热界比较新的研究课题，积累的研究资料不多，对它的认识还很欠缺。对它的研究具有极其重要的工业价值和理论研究意义。从理论与实验上把握振荡热管运行机理、配合恰当的强化传热手段进一步提高其传热性能，更多的工作、更多的成果值得期待。

　　                崔晓钰，黄万鹏1，翁建华2,马虎根1

　　(1.上海理工大学动力工程学院，上海200093；2上海电力学院能源与环境工程学院，上海200093)