閉式脈動熱管

閉式脈動熱管是指一種迴路閉合型的脈動熱管。其運行機理為：工質在一個蛇形密閉的真空空間裡，以低於常壓蒸發溫度受熱蒸發產生氣泡，氣泡迅速膨脹和升壓，形成蒸發端，推動工質流向低溫冷凝段，氣泡在冷凝段冷凝收縮並破裂，壓力下降，工質回流。另外受熱產生的蒸氣和冷凝產生的液體在毛細管力和彎曲力的作用下，管內最後將形成氣塞和液塞間隔隨機分布的振盪狀態。正是這樣，由於冷熱兩端間存在壓差以及相鄰管間存在壓力不平衡，使得工質在加熱段和冷凝段之間振盪流動。從而實現熱量的傳遞。詳細介紹了脈動熱管的工作原理與分類，在此基礎上介紹了閉式脈動熱管的研究現狀、特點、傳熱實驗系統等。

基本介紹

• 中文名：閉式脈動熱管
• 外文名：Closed Loop pulsating heat pipe
• 英文縮寫：CLPHP
• 類型：傳熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

脈動熱管的工作原理

脈動熱管是內部充有工質的環路毛細管，脈動熱管的兩端是加熱段和冷卻段，中間為絕熱段。脈動熱管的基本原理如右圖所示，脈動熱管內為真空環境，由於脈動熱管內徑很小，所以工質在管內形成了氣塞、液塞交替分布的形式。在加熱段工質受熱，在脈動熱管加熱段的內壁上會發生核態沸騰現象，生成小氣泡，氣泡內部壓力由於加熱段溫度的升高而增大，壓力驅使氣泡向冷卻段運動，運動的同時會發生氣塞合併和液塞分裂的現象;在冷卻段工質向環境放熱，上升到脈動熱管冷卻段的氣泡發生相變傳熱，由氣態變為液態，由於液體密度較大使得冷卻段的液體有向加熱段運動的趨勢。如此脈動熱管在冷卻段與加熱段之間形成了壓力差，驅動脈動熱管內工質在加熱段和冷卻段之間往復運動，熱量由加熱段傳遞到冷卻段，實現了熱量的傳遞。

脈動熱管的工作原理

脈動熱管的分類

脈動熱管按結構分類可分為開環路脈動熱管、閉環路脈動熱管、環路脈動熱管，如圖右圖所示。熱管被彎折並且各環路之間保持平行帶單向閥閉，首尾兩頭連線在一起的為閉環路脈動熱管，右圖中a所示;首尾兩頭沒有連線在一起的為開環路脈動熱管，如圖中b所示。研究表明對於脈動熱管的傳熱性能，閉環路形式要好於開環路形式。環路中帶有單向閥的為單向閥閉環路脈動熱管，如圖中c所示，單向閥的加入有利於脈動熱管內工質的單向流動，因而可以進一步提高閉環路脈動熱管的傳熱效率，但是在脈動熱管環路中安裝單向閥比較困難。

脈動熱管的分類

還可以根據形狀的不同將脈動熱管分為板式脈動熱管和管式脈動熱管，板式脈動熱管是在板上銑出不同形狀的管道再進行密封而成的，

閉式脈動熱管的研究現狀

國外研究現狀

Miyazaki等用內徑1mm、30個彎頭的銅管構成閉式迴路脈動熱管。採用R142b為工質,分別在底加熱,水平及頂加熱三種情況下,研究了閉式迴路的傳熱特性。實驗發現:不同的加熱方式下,閉式迴路對應不同的最佳充灌。底加熱時,合適的充液率較寬;水平加熱時的最佳充液率為45一55%;頂加熱時,合適的充液率較窄,基本限制在35%左右。在另一篇文章中,Miyazaki等用銅板開槽型熱管(有50個矩形小槽道構成閉式迴路)作了可視化實驗,揭示了閉式迴路脈動熱管內的振盪傳播現象。

Gl等對閉式及開式迴路進行了對比研究。熱管是由內徑為2mm的Teflon管彎曲而成,共10個彎頭。採用R142b為工質,熱水加熱,冷水冷卻。試驗表明,閉式迴路與開式迴路流動與傳熱性能差別較大。在開式迴路中,流體只能沿軸向振盪;而在閉式迴路中,流體除了沿軸向振盪外,還有可能沿著整個迴路作循環流動。閉式迴路的總體熱力性能好於開式迴路。他們還用脈動熱管作了筆記本CPU的冷卻試驗,R142b為工質,充灌率分別取40%,60%,80%,發現60%時傳熱性能最佳。

Lee等用銅板開槽、聚丙乙烯密封的辦法進行了可視化實驗。該閉式迴路脈動熱管有8個槽組成Z;工質為酒精,充液率從20%變化到80%;傾斜角從30“變化到90“。實驗觀察了管內流型以及氣泡的生成和運動,研究了充液率和傾斜角對流型和振盪的影響。觀察到蒸發段內的典型流型為核態沸騰和氣泡振動,且大多數活躍的振動發生在40一60%充液率和90“傾角。未觀察到工質的循環流動。液體回流是簡單的壁面層流流動,而不是氣液段塞流。在另一套類似的實驗裝置中,他們用20個矩形小槽構成一個閉式迴路脈動熱管,單個銅槽尺寸為1.5xl.5mm早,採用R42b為工質,充液率從20%變化到80%;傾斜角從O“變化到90“。分析了熱負荷、傾斜角、負荷率對壓力波動的影響。

Hosoda等研究的閉式迴路熱管有10個彎頭的玻璃管組成,內外徑分別為2.4~及4.0~。用水作工質並加入少量的黑墨水便於觀察。

Tong等研究的閉式迴路熱管有10個彎頭的聚乙烯管組成,內徑為1.8~。充液率為60%。實驗觀察到氣泡的核化、膨脹及合併等過程。結果表明,存在一個最小熱啟動負荷,使流體在迴路中能沿某個固定方向循環流動。

schneide等人設計了小型的平板閉式迴路脈動熱管。在鋁質的薄板上直接開出矩形或圓形的小槽(兩個矩形槽尺寸分別為1.5x1.0~2及2.2x2.0mm,均為12個槽道;圓形槽道直徑為2.0~,10個槽道)。採用水和酒精為工質。實驗表明,矩形截面由於尖角的毛細作用,其流動與傳熱規律不同於圓形截面。在較低充液率下(FR蕊30%),矩形截面的熱管傳熱性能較好,但其運行特性非常類似於毛細輔助的重力熱管。而圓形截面脈動熱管在小充液率下基本不能運行。研究還表明,工質熱物性對脈動熱管的運行有很大影響。水和酒精相比,後者的動力接觸角所引起的毛細滯阻力明顯小,因此其流動總阻力小;同時其汽化潛熱也小,因此在相同的加熱量下能產生更多的氣泡。這些因素都有利於脈動熱管的運行。

國內研究現狀

曲等對由8個彎頭組成的閉式迴路脈動熱管作了半可視化試驗。材料由細銅管和玻璃管組成,管子內外徑分別為1.8mm及2.0mm。採用二次蒸餾水為工質。實驗觀察表明,加熱功率較小時管內工質的流型為間隙振盪,加熱功率較大時管內工質的流型為單向脈動流動。隨著傾角的增加,熱阻是先降後增,60“傾角時熱阻達到最小。另外,不凝性氣體的含量會顯著影響蒸發器和冷凝器的運行溫度水平和熱阻。他們還定性分析了顯熱與潛熱占總傳熱量的相對大小以及接觸角所引起的毛細滯後阻力現象。

徐等194一99]用細玻璃管彎曲成8個彎頭的閉式迴路,實驗觀察了內部流型以及氣泡的核化、合併及冷凝等過程。注意到水和methanol為工質時具有不同的流型以及溫度波動特性。他們還加工了一個由6彎頭細銅管(管子內外徑為1.18~及2.0~)組成的脈動熱管,分別充注水、酒精以及FC72為工質。研究表明,熱負荷大小明顯影響脈動熱管的啟動特性以及穩態運行時的溫度波動情況。另外,他們還發現,該實驗裝置在開式迴路系統下無法運行,而在閉式迴路系統下可以較好運行,其最佳充液率範圍為70%,低於60%或高於80%,都導致系統傳熱性能的惡化。

張等用10個彎頭的細玻璃管(內外徑分別為1.5~及3~)彎曲成一閉式迴路,實驗觀察了脈動熱管在啟動初期、過渡時期以及穩定運行時管內流動規律,探討了脈動熱管的運行機理。他們另外加工了一個由10彎頭組成的銅管閉式迴路熱管(內外徑分別為2~及3~),用水作工質。結果表明,最佳傾斜角為70~90安裝時傾角儘量避免0“一45“。最佳的充液率範圍在50~60%之間。

閉式脈動熱管的特點

作為傳統熱管的改進形式，脈動熱管具有其獨有的特點:

（1）結構簡單，成本低
閉式脈動熱管由於其結構不需要吸液芯，從而降低了閉式脈動熱管傳熱過程中的傳熱熱阻，而且吸液芯的減少可以使閉式脈動熱管的造價更低廉。

(2)可以實現小面積高熱流密度處的散熱需求

傳統的熱管尺寸較大，而用於小空間需要減小設計尺寸，這會造成傳統熱管在運行過程中形成氣液塞，這樣會增加傳統熱管內的熱阻，不利於傳熱。閉式脈動熱管整體尺寸較小，並且具有優秀的傳熱能力，可以用於小面積高熱流密度處的散熱。

(3)適應性強

閉式脈動熱管的尺寸、加熱段和冷卻段的長度、管型等都可以根據套用場合的不同而變化。此外，脈動熱管內工質的選擇還可以使其以水平或者頂部加熱的方式來散熱。這些都表明了脈動熱管的強適應性，以及套用領域寬廣。

閉式脈動熱管的傳熱實驗系統

右圖為閉式脈動熱管的傳熱實驗系統，系統包括閉式脈動熱管、抽真空和充液系統、可調節角度的實驗台架、加熱系統、冷卻系統、保溫系統和數據採集系統。

閉式脈動熱管的傳熱實驗系統

傳熱實驗中的閉式脈動熱管

傳熱實驗中的閉式脈動熱管，材料為銅，內徑2 mm，外徑4 mm,環路數為10，加熱段、冷卻段、絕熱段的尺寸分別為150 mm, 150 mm, 220 mm冷卻段加有冷卻水槽尺寸為610X168X25 mm。脈動熱管頂部接有四通，連線充液端、抽氣端和壓力感測器。

抽真空和充液系統

抽真空裝置為FY-1 H旋片式真空泵，與抽氣口相連，在充液前對脈動熱管進行抽真空。充液操作中使用醫用針筒，6號針頭，充液時針頭對準充液口正中間插入，由於脈動熱管內與大氣存在壓差，所以針筒中的液體會由於壓差作用自動充入脈動熱管內。

可調角度實驗台

實驗台架由鐵質支架和塑膠板組合支撐，塑膠板尺寸為1100X60X9 mm。塑膠板上可固定脈動熱管，實驗台可以實現1800角度調節。

加熱系統

脈動熱管傳熱實驗中的加熱系統組成有:220 V交流電源、變壓器、電子功率表、電加熱絲、導線若干。220 V交流電源由家用電源提供;變壓器為TDGC2-1K型，在實驗中可根據需要對壓力進行調節，調節範圍:0 V-220 V ; BHS-P型單相有功功率表可實現在實驗過程中對加熱功率的實時檢測和控制作用，額定電流10A，精度0.2級;電加熱絲材料為鎳鉻合金，均勻的纏繞在脈動熱管加熱段，為了保證脈動熱管的絕緣性和對外層保溫措施的安全性考慮，將脈動熱管加熱段的銅管上纏一層絕緣耐高溫膠帶以保證脈動熱管的絕緣性，再在電加熱絲外纏一層耐高溫膠帶以保證外層保溫層接觸不到過高的溫度。

冷卻系統

脈動熱管的冷卻系統由恆溫水箱、轉子流量計組成。恆溫水箱為DC2006型恆溫水箱，溫度調節範圍:-2 0 0C -100 0C，調節精度0.1，恆溫水箱內裝備有循環水泵可為脈動熱管冷卻水槽內提供源源不斷的冷卻水;LZB-10型浮子流量計可以測得脈動熱管內冷卻水槽的冷卻水流量，實驗前通過多次對循環冷卻水定時間內的體積進行測量得到冷卻水的體積流量，從而對轉子流量計進行準確度標定，標定結果顯示浮子流量計能較準確的反映實時流量。

保溫系統

脈動熱管需要進行絕熱處理，這樣才能使熱損失達到最小，實驗數據才更加可靠，所以在脈動熱管的絕熱段和加熱段外包覆有兩層岩棉和一層玻璃棉進行保溫，並對局部與外界接觸處進行岩棉的填補。在冷卻段使用黑膠棉對冷卻水槽整體進行絕熱處理。

數據採集系統

熱電偶、壓力感測器、數據採集儀組成了脈動熱管的數據採集系統。實驗採用28根0.1~的T型熱電偶對脈動熱管的加熱段、冷卻段和絕熱段進行布置。

展望

閉式脈動熱管己經成為電子產品小型化、多功能化進程中對大功率區域進行散熱的最佳手段，而由於閉式脈動熱管內流動具有混沌性，所以對於閉式脈動熱管的機理研究還不是很透徹。同時對於閉式脈動熱管的套用研究也很少，這些都阻礙了閉式脈動熱管市場化的進程。所以還需要大量的研究和實驗:
（1）閉式脈動熱管在運行過程中分為三個階段:啟動、穩定運行、傳熱極限。對於啟動、運行以及傳熱極限現象還要進行更加清晰的可視化實驗研究，對管內工質的狀態進行更加準確的分析。

（2）對於閉式脈動熱管的理論模型建立還有待完善，雖然近期對於理論模型建立的研究很多，但是理論模型的建立仍需要更加完善的補充。可結合可視化實驗對脈動熱管的理論模型進行建立和模擬。
(3)對於閉式脈動熱管的經驗關聯式，本實驗研究限於實驗設備單一，所以未考慮到加熱段以及總長度大小對於閉式脈動熱管傳熱性能的影響。可以做多管徑、多管型尺寸的閉式脈動熱管進行傳熱實驗，完善對閉式脈動熱管啟動和運行工況下的經驗關聯式。