脉动热管理论及技术进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京建筑大学 作者:史维秀

  脉动热管作为热管家族新成员,相对传统热管和其他的散热器件有着很大的传热优势,能够实现高热流密度的微型电子器件的散热要求,近年来很多学者开展了对脉动热管的理论和技术研究,本文主要从以下方面介绍脉动热管研究进展: 实验研究,通过可视化和传热性能实验,观察流型变化并分析传热强化效果;理论研究,通过建立脉动热管的简化模型,采用数值模拟的方法观察流动过程中流态的变化或者采用数值编程计算的方法分析求解脉动热管的传热过程;管路结构改进研究,采用不同的脉动热管的管路形式来实现两相流工质的合理分配,减两相流的局部阻力,从而分析其对传热的影响。

1、引言

  随着电子技术的发展,电子元件的高频、高速化和集成电路的密集化和小型化,这些因素都使电子元件的单位容积发热量迅速提高,需要的散热手段具有以下特点,即紧凑性,可靠性,灵活性和高效性。电子器件的冷却技术越来越成为制约电子工业的发展的关键。

  脉动热管是20 世纪90 年代由Akachi 提出的一种新型热管。它是将细小的毛细铜管弯曲成蛇形结构,管内抽真空后注入工质,工质在表面张力的作用下以液塞和气塞的形式存在。一端置于加热端,另一端置于冷凝端,内部随机形成的气塞和液塞在压力差的作用下会随机形成振荡流动,将热量从蒸发端流至冷凝端。

  脉动热管分为开路型和回路型,回路型包含带有单向阀和不带有单向阀2种形式,如图1 所示。脉动热管相对传统的热管和散热器件具有无可取代的优势,管式脉动热管和板式脉动热管的技术应用如图2所示。

脉动热管基本结构

图1 脉动热管基本结构

脉动热管技术应用

图2 脉动热管技术应用

  脉动热管虽然结构简单,但是在运行过程中工质的流动状态及传热机理非常复杂,其总体的换热效果受到多种因素的影响,比如充液率,倾斜角度,管径,工质的热物性等。近年来研究人员对脉动热管的关注越来越多,并且大多数是以典型的多弯头回路脉动热管作为研究对象,从试验,理论建模,管路改进和技术应用方面进行研究。

试验研究

  脉动热管作为两相流热力系统,管内工质的流动形式对于换热机理的研究非常重要,可视化研究是很必要的,它可以为传热机理的研究提供分析依据。目前的可视化实验装置一般选用各种玻璃制作脉动热管试件,采用高速摄影装置对实验过程进行拍照和录制,便于分析启动和稳定运行时的流态变化。

  李惊涛等采用电容层析成像方法进行脉动热管内微尺度两相流的可视化监测及液膜厚度的测量。试验结果表明在不同的工况下脉动热管存在3种流型,即塞状流,环状流和前2 种的混合流,并且液膜的厚度测量值也与实际相符。采用该种方法与普通的可视化摄影相比具有一定的优点。屈健等采用MEMS技术,在硅基芯片上制作了梯形截面的微型脉动热管。结果发现启动非常迅速,但在启动过程中没有观察到明显的核态沸腾,加热端的气塞主要通过液塞的断裂而形成,冷凝端观察到喷射流,对倾斜角度的适应性较强。冼海珍,Xu等对典型的多弯头回路脉动热管进行可视化研究,观察脉动热管中流型的转化(泡状流,塞状流,半环状流,波环状流,环状流)及弯管部分工质的变化,研究发现管径大小,加热功率和倾斜角度等对管内流型都有很大影响,弯头是影响热管运行的重要结构,竖向通道流型如图3。Tong等观测到气泡的凝聚过程,如图4所示。

多环路典型流型

图3 多环路典型流型

气泡的凝聚过程

图4 气泡的凝聚过程

结语

  脉动热管自从20世纪90年代提出以来,得到了各国学者的广泛关注,探索了脉动热管的传热机理和运行特点,并且取得了有价值的研究成果,但是在理论方面还有待于进一步加深研究,攻克难点,比如说纳米流体工质的应用,特殊结构的研究等。目前脉动热管技术已经应用于电子器件散热领域,而在其他领域,如脉动热管太阳能热水器,脉动热管节能空调器,脉动热管低温冷却及脉动热管热泵干燥系统的研发等,都需要将脉动热管技术有效应用到技术中去,因此,还需要在坚实的理论,实验基础以及脉动热管技术向应用的转化上不断努力前进。

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