槽道熱管

槽道熱管是一種利用槽道界面張力的作用使液相工作介質回流從而實現吸液芯的熱管。具有實現熱管多相傳熱、熱阻更小、傳熱係數更高等功能的同時， 利用槽道界面張力的作用可以使液相工作介質回流從而實現吸液芯的功能。槽道形式吸液芯熱管（以下簡稱槽道熱管）的理論研究進展，槽道形式吸液芯幾何結構明晰、隨機性小，對槽道熱管開展研究不僅豐富熱管理論，而且有助於微肋、狹槽類微能系統的研究。同時，由於槽道熱管良好的二次加工性能和各向異性的特點，使槽道熱管在電子散熱、離心場、電磁場等方面有所套用。

基本介紹

• 中文名：槽道熱管
• 外文名：grooved heat pipe
• 別名：槽道吸液芯熱管
• 提出者：Kemme
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

自 Grover明確提出熱管概念及 Cotter發表熱管基礎理論以來，熱管技術的研究和套用一直受到廣泛重視。隨著熱管技術研究的發展與深入，其重心也已從理論研究轉移到套用研究，熱管套用研究已經由航天轉向地面，由工業轉向民用，在太陽能利用、筆記本電腦 CPU散熱冷卻、冶金能源和建築節能等領域的套用，也將促進新型熱管技術的開發與套用。

對於槽道形式的吸液芯，最早見於 Kemme 在 1966年和 1969 年的報告，他指出利用槽道界面張力的作用可以使液相工作介質回流從而實現吸液芯的功能。槽道形式吸液芯熱管一經提出，就受到廣泛的關注。

槽道熱管自從被提出以來，廣泛套用於航空航天、電子散熱和電磁場、離心場等非慣性場中。用於電子元器件散熱是目前熱管市場和熱管研究最活躍的領域之一，也是本文論述的重點。槽道熱管用於電子元器件散熱主要有 3 種形式：傳統形式、迴路形式和槽道陣列形式。

傳統形式的槽道熱管是指槽道在熱管壁面且處於蒸汽腔外部，一般是圓柱狀，管內蒸汽和液相工作介質兩相逆向流動，從各個槽道產生的蒸汽匯聚於一個蒸汽腔內的熱管形式。這種形式的熱管使用得較多，研究內容也較為豐富。

槽道熱管特性

槽道熱管，是在實現熱管多相傳熱、熱阻更小、傳熱係數更高等功能的同時， 利用槽道界面張力的作用可以使液相工作介質回流從而實現吸液芯的功能，總體來說有以下特性：

（1）槽道吸液芯熱管不僅繼承了普通熱管兩相流動、 相變傳熱的優良傳熱特性，槽道將提供毛細力媒介，更適合微流動、微相變、和微尺度傳熱傳質

（2）槽道熱管的毛細回流力由汽液兩相界面軸向曲率半徑差提供， 作用力方向為槽道延展方向， 且汽液兩相直接接觸等特點使槽道熱管的理論研究更具特點

（3）因其槽道可在管內壁直接加工，熱管即可通過擠壓等塑性一體成型，利於工業化生產，具有很廣闊的套用前景

（4）由於槽道熱管重在可微，不僅高效，而且二次加工性能好，適合高效傳熱傳質，可廣泛套用與電子散熱、超重力場、電磁場等科技領域。

槽道熱管的優、缺點

優點

（1）對於理論研究，槽道熱管的吸液芯結構幾何外觀上比較明晰、隨機性較小，因此更適合微流動、微相變和微尺度傳熱過程的分析，其對於微肋、狹槽類微型能量系統的研究性更明確，針對性更強。

（2）槽道熱管的毛細回流力由汽液兩相界面軸向曲率半徑差提供，作用力方向為槽道延展方向，且汽液兩相直接接觸等特點使槽道熱管的理論研究更具特點。

（3）從套用角度來看，槽道熱管的吸液芯結構是在管內壁加工的一些流體通道，吸液芯結構與壁面為一整體。這一特點帶來了兩方面的優勢：首先，壁面與吸液芯結構之間的熱阻較小；其次，二次加工性能好，在彎曲、壓扁等加工過程中，不會出現吸液芯結構與壁面剝離甚至脫落現象，保持良好傳熱性能。

（4）蒸汽與金屬接觸面積大，從而使得熱管具有較小的熱阻。蒸發段槽道內的液體三面受熱，接觸線附近的薄液膜區相變阻力很小。在冷凝段，蒸汽在槽頂凝結後，在徑向表面張力作用下，使該部分區域的液膜厚度極小，冷凝換熱能力大大加強。

（5）吸液芯結構的各向異性使其在離心場、電磁場等環境下得到套用，發揮更大的作用。

缺點

（1）由於槽道的寬度相對於吸液芯結構的孔隙較大，所能提供的毛細壓頭較小，逆重力工作能力不強；

（2）由於槽道和蒸汽腔之間連通，在逆流的蒸汽和液體的界面上由於剪下力的作用，會有部分冷凝液被攜帶到蒸汽空間，就容易造成液體迴路的短路，從而降低了熱管的傳熱能力。

理論研究

對於槽道熱管的理論分析，既有與其它吸液芯形式相同的分析方法，也有針對槽道開展的理論研究。其研究方法主要有三個方面：經驗公式法、數值分析法及兩種方法的結合。

經驗公式法

經驗公式法一般是將熱管的各個傳熱過程統一考慮，得到適合於某一特定工程套用的理論模型。這種方法得到的模型便於使用，計算量小，結果相對可靠，適合於工程套用，但需要大量數據支持，適用範圍小，熱管內部各參數對其傳熱性能的影響無法獲得。隨著計算技術的發展，單純依靠大量數據作為研究基礎的經驗公式法很難適應電子散熱領域千變萬化的要求。該方法在 20 世紀 90 年代後，很少單獨使用，往往作為其它分析方法的驗證、初步設計或概念設計階段的基礎而開展。這裡不再贅述。

數值分析方法

數值分析方法是指採用有限單元法、有限差分的方法數值求解動量、質量和能量守恆方程，得到熱管內部的流動傳熱傳質特性。而計算過程中的各種影響流動、傳熱和傳質的因素均可能得到考慮，分別有：充液量、槽道尺寸和形式、工作溫度、工作角度、工作介質種類和熱物性等，另外其它一些影響因素也得到了重視，如表面粗糙度、周向表面張力的排液作用、蒸發/冷凝係數、剝離壓力（disjoining pressure）和薄液膜區的相變過程等，且發現這些因素在某些情況下可能成為熱管傳熱性能主要的影響因素。數值方法得到的槽道結構吸液芯熱管的模型具有信息量大、可涉及內部流動傳熱傳質過程細節的特點，對理解熱管運行過程有較大幫助。 對於熱管流動和傳熱過程的數值模擬，目前仍處於發展階段。由於熱管內部過程牽涉多相流、相變傳熱、毛細驅動力和多孔介質等多個複雜領域，因此目前針對熱管開展的數值計算研究並不多，而有賴於相關領域計算技術的進一步發展。一些商業計算軟體中對熱管的處理方式往往採用簡化模型，用一種非線性導熱體代替，而未深入其內部研究其工作狀況。對於槽道熱管的數值模擬，運動界面追蹤技術可能成為今後的一個重要的發展方向。

但由於其涉及內部流動傳熱傳質等基本過程，熱管本身的傳熱又涉及三相過程（固相的管壁和吸液芯結構、液相流動和蒸汽流動），同時各研究者所考慮的影響因素，採用的數值方法、研究的對象各不相同，所以難以形成統一的計算程式，使槽道熱管的數值分析相對比較困難，周期較長，在實際工程實踐中難以得到廣泛的套用。另外，由於影響熱管流動傳熱傳質的很多因素涉及微尺度傳熱理論，還有很多不成熟的，甚至未知的因素，因此對槽道熱管數值研究的可靠性產生了影響。如三相接觸角的大小確定對液相回流的影響很大，但各個研究者在相同情況下所採用的數值也不盡相同，而目前對接觸角的研究，特別是精確可靠的試驗研究或可視化研究仍存在一定困難。

另外對流動傳熱傳質過程的影響比較大的一些參數，如極性工作介質的蒸發冷凝係數，儘管有近八十年的研究歷史，但不同研究者得到的數值可能相差數百倍，而蒸發冷凝係數在小型熱管，特別是電子散熱用的熱管中可能起到比較大的影響。還有一些在巨觀領域比較成熟的結論，如關於液相工作介質黏性的理論，但當液相工作介質在軸向微米（µm）級槽道內流動，軸向納米級薄液膜區域或冷凝段齒頂排液時的流動可能出現明顯應力應變非線性關係，這種非線性關係可能受到結構尺寸、溫度、壁面材料甚至槽道加工方式的影響，目前微觀領域對於這一部分的了解甚少。因此，針對槽道熱管建立普遍適用的、準確可靠的模型還有很多工作要做。

結合方法

針對上述研究方法存在的一系列問題，目前有一種將數值方法與經驗公式相結合的方法，這種方法首先對熱管傳熱過程進行分析，再通過一定的關係與各種傳熱過程相結合，通過試驗得到所需要的經驗或半經驗公式。這種方法既迴避了數值模型大量的計算，又迴避了不確定因素的影響，同時彌補了經驗公式法過於簡單的形式和普適性較差的弊端，但目前該形式的理論模型報導不多，且現有報導均針對傳統圓柱狀形式的熱管，對於目前電子工業散熱器所使用的異形熱管（彎曲或壓扁形式）的模型報導不多。

槽道結構發展歷程

自 槽道形式結構熱管被提出以來，總共經歷了三角形、梯形、矩形、星形和菱形等軸向槽道結構以及螺旋形、 蝶形輻射等各向異形槽道， 最終因其較高的傳熱特性和良好的二次加工性能， 成為了槽道熱管研究發展新的里程碑"對於槽道熱管的理論分析，既有與其他吸液芯形式相同的分析方法， 也有針對槽道開展的理論研究"其研究方法主要有三個方面：經驗公式法、數值分析法及兩種方法的結合。

經驗公式法一般是將熱管的各個傳熱過程統一考慮，得到適合於某一特定工程套用的理論模型。這種方法得到的模型便於使用，計算量小，結果相對可靠，適合於工程套用，但需要大量數據支持，適用範圍小， 熱管內部各參數對其傳熱性能的影響無法獲得。該方法在20 世紀90 年代後，很少單獨使用，往往作為其他分析方法的驗證、 初步設計或概念設計階段的基礎而開展。

數值分析方法是指採用有限單元法、 有限差分的方法數值求解動量、質量和能量守恆方程，得到熱管內部的流動傳熱傳質特性" 而計算過程中的各種影響流動、傳熱和傳質的因素均可能得到考慮，分別有充液量、槽道尺寸和形式、工作溫度、工作角度、工作介質種類和熱物性等。 隨著槽道熱管研究的深入，另外其他微形因素也得到了重視，比如$半月面曲率半徑、相間摩擦係數、熱流密度等，且發現某些因素在特定情況下， 可以成為影響熱管傳熱性能的主要因素。對於熱管流動和傳熱過程的數值模擬，目前仍處於發展階段" 由於熱管內部過程牽涉多相流、相變傳熱、毛細驅動力和多孔介質等多個複雜領域，因此目前針對熱管開展的數值計算研究並不多，而且有賴於相關領域計算技術的進一步發展"前期研究一般主要是以建立模型、 數值分析為主的套用基礎理論研究" 運用數值分析的方法，將梯形微槽道結構傳熱傳質區域劃分為巨觀和微觀，數值計算得出微觀區域即微槽道區傳熱能力極強，證實了微槽道的良好傳熱特性。

展望

槽道熱管重在可微。槽道提供毛細力媒介，更適合微流動#微相變和微尺度傳熱傳質，更加適合高效傳熱傳質， 廣泛套用與電子散熱、超重力場#電磁場等科技領域。槽道熱管的理論研究尚未深入與全面，必須和傳熱傳值學研究一道，微尺度、微通道和非平衡熱力學等理論的研究深入， 將會促進微槽道熱管理論的發展與套用。槽道結構形式歷經三角形、矩形和梯形等，其間套用基礎理論研究和套用研究的發展，為最新發展起來的 ， 形槽道熱管的理論研究提供了經驗和依據， 逐步完善了槽道熱管理論，為下一步更高效、微尺度的槽道熱管研究奠定了基礎。

與其他吸液芯結構相比， 槽道熱管可在管內壁通過擠壓等塑性一體成型，規格多樣，並具有很好的二次加工性能，利於工業化生產，具有很廣闊的套用前景，Ω形軸向槽道熱管，作為槽道熱管發展的新生代，當量導熱係數是 360~460KW能達到紫銅的1000 倍，其更加優良的傳熱特性，可以套用於梯度大、品位低和熱值分散的中低溫餘熱回收，提高其回收效率和品質，促進節能減排，推進國家十二五規劃的順利實施中，將是新的亮點 應對 ， 形軸向槽道，作以更加深入的理論研究和套用實踐，構建相關數學模型和積累經驗方程， 開發相關實驗平台，為其儘快能在高效熱交換裝置中套用、推廣，奠定基礎。