脉动热管强化传热及其应用研究进展
摘要：脉动热管作为一种新型热管技术，由于其结构简单、传热性能好以及环境适应性强等优点，在热管理、太阳能集热、余热回收等热传输领域都极具应用潜力。高热流密度器件、热能的利用和回收等领域的快速发展，对传热装置的传热性能和工况适应性提出了更高的要求。为进一步强化内部两相流传热以及适应不同工况，结构多样的新型脉动热管应运而生。针对新结构脉动热管的研究进展，主要从强化传热性能的内部结构优化、适应不同应用需求的外部新结构及新结构脉动热管的应用研究三个方面进行总结。后续的研究应该在明晰运行机制的基础上，设计出通用性的新结构脉动热管。
关键词：脉动热管;新结构;优化;两相流;传热
赵佳腾; 吴晨辉; 戴宇成; 饶中浩， 化工学报 发表时间：2021-11-18
引 言
随着现代科技的进步，各种设备趋向于集成化、小型化和高热流密度，各个领域对高效、高均温性的散热需求日益提高[1]。热能的高效利用和回收是解决能源可持续发展问题的重要途径。热管是一种高效传热元件，被广泛应用于热输送领域。传统重力驱动热管的单向导热性，限制了其应用范围;传统毛细力驱动热管的烧干极限较低，工质回流能力较弱，不适合长距离热输送[2]。脉动热管(Oscillating heat pipe, OHP)于上世纪 90 年代由日本学者 Akachi 提出，由若干直管路和弯头组成，依靠管内工质交替蒸发膨胀和冷凝收缩产生的压力差以及相邻管间的压力不平衡提供整体驱动力[3]。脉动热管不仅能够通过气液相变传递潜热，而且可以通过汽液塞振荡传递显热，相对传统热管具有众多优势：结构简单、理论热输送距离长、应用范围广、传热极限高、抗重力性能好、启动迅速、加热方式灵活等等[4, 5]。脉动热管在太阳能热利用、余热回收、电子冷却等热输送领域是一种简单、可靠、经济的选择，应用前景良好。
自脉动热管提出以来，科研人员对其启动和传热特性、运行机制进行了广泛的研究，实验研究主要是针对流型演变，以及定量分析结构参数、操作条件等对脉动热管启动和传热性能的影响，理论研究通常是建立简化模型来模拟并定性分析脉动热管内部多相流动和传热传质过程[6]。现有综述大多是对脉动热管实验和理论研究的进展以及常规脉动热管的应用研究进行总结，各有侧重，少部分涉及了通过结构改进来强化传热[6-10]。近年来，为了强化换热和适应不同工作需求，研究人员设计、制造和测试了结构多样的新型脉动热管，并对各自提出的新结构脉动热管启动和传热特性及应用做了大量研究，但尚无一种通用的结构形式，距离商业化应用前路漫漫。本文对已有研究中涉及脉动热管结构改进的方法进行提炼，得到如图 1 所示的发展脉络，图中圆的大小代表这一方法的权重，两个圆之间的距离及线宽表示两个方法之间的亲缘性，颜色代表这一方法所处年份的平均。从图中可以看出，前期的研究主要偏向于内部结构改进以强化传热，并随着技术的进步而发展，例如，内部结构改进的方法按时间排序为：截面形状、止回阀、截面尺寸和内表面修饰;近年的研究趋向于外部结构改进，除部分以强化传热为目的外，开始面向特殊工况的传热需求，结构多样但现有研究相对较少;此外，部分研究涉及多种结构改进方法，在提升工况适应性的同时考虑了强化传热，是进一步的发展趋势。
为了更好地呈现新结构脉动热管的发展脉络，本文主要从以下三个部分进行综述：强化热性能的内部新结构、适应不同工作要求的外部新结构以及新结构脉动热管的应用，希望能够为通用性新结构脉动热管的设计和优化提供参考。
1 脉动热管内部新结构及传热强化
脉动热管由于较长的流动通道，增加了启动热流密度，限制了其在低热流密度工况下的应用;此外，脉动热管工质的运动受到驱动压差、表面张力、摩擦力和重力等的综合作用，且受表面张力的影响较大，会一定程度的削弱脉动热管启动和传热性能[11]。除工质热物性参数、操作条件和外部条件等以外，包括通道壁面结构、截面形状和尺寸等内部结构参数是影响脉动热管启动和传热特性的重要因素[9, 12, 13]。基于脉动热管工作原理，内部结构改进主要从两个方面协同强化脉动热管性能：一是强化工质与壁面的换热，二是提高循环驱动力、促进工质的振荡[14]。实现方式有内表面修饰和通道结构改进[8, 15]两种。
1.1 通道内表面修饰
工质与脉动热管通道内表面的相互作用直接影响其在管内的振荡运动状态和相变传热速率[16, 17]。通过调整通道内表面多尺度结构实现工质运动调控和相变传热过程强化属于无源强化手段[18]，调控表面尺度微结构不仅可以促进气泡的核化、生长和溢出以及冷凝液滴的形成和脱离，增强壁面与工质换热，还可以改变其浸润性，利于调控工质与通道表面的毛细力和摩擦力[19-21]。因此，合理的修饰脉动热管通道内表面，可以有效强化其传热性能和启动特性[22, 23]。
1.2 通道结构改进
通过异型或非均匀设计对脉动热管通道结构和布置进行改进，合理匹配不同区域的毛细驱动力和工质流动阻力，是提升脉动热管性能的一种简单有效的方法[9, 25]。
1.2.1 截面形状 脉动热管通道截面形状直接影响脉动热管内部汽液塞分布及流型转化、压差驱动力及流动阻力，其中截面尖角的影响尤为突出[6, 54-56]。
1.2.2 非均匀截面尺寸 受工质密度和表面张力的影响，脉动热管管径过大会导致气液分层，难以形成汽液塞，管径减小又会增加毛细阻力[6, 55]，而在非均匀管径的通道中工质在不同区域所受的流动阻力和驱动力不同，局部压差驱动力会促使管内工质向阻力小的方向流动，增强汽液塞振荡频率和幅度，从而起到强化传热的作用[8]。
1.2.3 止回阀 由于 OHP 运行过程中随机出现的工质停顿、反转和振幅小等现象，导致其传热性能降低 [116]。Miyazaki 等人[117]提出了带止回阀的 OHP，可促使工质单向循环、提升烧干极限。万珍平等人[116, 118, 119]分别在 OHP 蒸发段和冷凝段集成隔膜式止回阀，可促使工质实现稳定的单向流动，提升传热性能，不同条件下可使热阻降低 20.35%~31.28%，但当止回阀对工质流动的促进方向和 OHP 自身流向相反时出现传热性能下降的情况;在实验结果基础上建立了止回阀 OHP 在对称加热时的数学模型。Thongdaeng[120] 等人通过可视化实验研究了顶部加热模式下带止回阀的 OHP 内部流型和传热特性，在蒸发器温度为 125 ℃、倾角为 90°时，最大热通量可达 2670.427 W/m2。左洪桃等人[121]研究了止回阀数量对 OHP 传热性能的影响，热流随止回阀比的增加而增大。Meena[122, 123]、Supirattanakul[124]、Bhuwakietkumjohn[125-127]、 Rittidech[128]和 Ando 等人[129]通过传热和可视化实验对带止回阀的 OHP 在不同倾角、运行温度、工质、充液率和重力等条件下的流动和传热特性进行了详细的研究，止回阀的布置应该使其对工质流动的促进方向和 OHP 自身流向相同，且强化 OHP 传热性能的效果受操作条件的影响较大。止回阀与脉动热管的集成较为简单，可以与前述结构改进方式耦合，进一步提升强化效果。
2 脉动热管外部新结构
为了强化换热以及适应不同应用环境和工作要求，研究人员对脉动热管外部结构进行局部或整体改进[24, 30, 130]，或者与扩热板[131, 132]、翅片[133, 134]和泡沫金属[135]等耦合，设计具有不同结构的新型脉动热管，并对改进后的新结构脉动热管的启动和传热特性进行了大量的研究[136-138]。
2.1 蒸发(冷凝)端新结构
对 OHP 蒸发端或冷凝端进行局部结构改进，可以增强冷热端压差，促进工质循环，从而提升传热性能[139]。Sedighi 等人[139]在蒸发段添加如图 6(a)所示的支路，数值分析和可视化实验结果表明附加支路可以促进工质的单向循环，部分冷凝回流工质与附加分支热流体的混合可以降低蒸发段温度;通过传热实验对比了带附加支路 OHP 与常规 OHP 的性能，热阻平均下降 11~20%。Kato 等人[28]在单直管 OHP 冷凝段顶部采用厚度为 0.08 mm 的乳胶片，以释放 OHP 振荡过程中内部体积波动引起的压力变化。曹滨斌等人[140, 141]提出冷凝端顶部添加扩容室的扩容型 OHP，如图 6(b)所示，能够降低冷凝端压力以增大冷热端压差，有效提升 OHP 启动性能，增大扩容室体积可以进一步提升启动和传热性能;但由于扩容室和 OHP 仅通过喉管连接，加热功率较高时过多工质滞留在扩容室，传热性能下降;基于实验结果的分析发现， OHP 运行过程出现“蝴蝶效应”、自组织等混沌力学特征的现象。Wang 等人[142]提出了具有周期性涨缩式冷凝器的 OHP，数值模拟结果表明，涨缩式冷凝器可以引起主流分离并破坏热边界层、提高汽液塞振荡频率，有助于提升 OHP 传热性能，增幅可达 45%。Davari 等人[143]对比了具有直管、立式和水平波纹管冷凝段的 OHP 性能，如图 6(c)所示，水平波纹管结构可以促进冷凝液滴的形成，传热系数最高。
2.2 新型管路结构
管路结构是脉动热管关键的结构参数，且管路的改变较为简单、样式多样，如何对管路进行合理的改进以提升脉动热管性能、适应工作需求，目前已经有大量的探索[36, 37, 148, 165-169]。旋转机械由于其特殊的旋转工况，给散热带了挑战。Qian 等人[170, 171]采用的是单回路 OHP。而 Aboutalebi 等人[172]首次提出了花瓣状的旋转闭式 OHP，旋转工况产生的离心力可以促进中心冷凝端工质回流至外部蒸发端，从而延缓烧干极限，提高 OHP 热效率;随转速增加，传热性能和烧干极限进一步提高，所有转速下，最佳充液率为 50%。对如图 7(a)所示的旋转 OHP，Kammuang-lue 等人[165]还发现增加匝数可以降低冷热端之间的绝对热阻，但工质循环阻力增大，增加了单位面积的热阻。Dehshali 等人[173] 研究了热输入、转速和工质等参数对旋转 OHP 热阻的影响，证明旋转 OHP 可以有效冷却旋转装置，并通过建立相关性来预测其热流量，但还需要更多实验数据以提升预测精度。
2.3 三维脉动热管
面对高均温需求、高热流密度、空间结构复杂的散热工况，传统的二维脉动热管有时难以满足要求，针对实际应用工况的管式和板式三维脉动热管应运而生。为了增加复杂空间内的传热自由度，曲捷等人[189, 190]将二维 OHP 弯曲成多层三维 OHP，4 层 OHP 的启动和传热性能优于其他层数 OHP，且在 50%充液率时达到最佳;随着冷却风速增加和倾角减小，启动温度降低，烧干极限提升;只有倾角对不同层沿长度方向的热阻有显著影响，表层与内层的热阻差随倾角的减小而增大。此外，曲捷等人[191]对比了三维 OHP 和多个二维 OHP 与石蜡的耦合性能，石蜡/三维 OHP 比石蜡/多个二维 OHP 需要更多的时间完全熔化，而固化时间更短，说明三维 OHP 相对于多个二维 OHP 管具有更好性能。凌云志等人[192, 193]在多层结构的基础上设计了叶状三维 OHP，相同工况下电子器件表面温度比多层 OHP 低 2 ℃，传热性能更优。
3 新结构脉动热管应用研究
考虑到脉动热管优良的传热和运行特性，已经被广泛应用于各个领域来增强传热，效果显著，新结构脉动热管是在适应实际工况、进一步强化换热的基础上提出的。
3.1 热管理
3.1.1 LED 热管理 LED 相比传统光源具有不可比拟的优势，虽然总发热量不高，但热流密度可达 106 W/m2[68]。而温度过高会导致 LED 发光效率下降、颜色发生红移和寿命缩短等问题，限制了其进一步的应用[2]。
板式 OHP 可以与 LED 芯片较好的贴合。邓阿强等人[152, 153]将翅片板式 OHP 用于大功率 LED 冷却，不同功率下强制风冷的散热效果显著，温度均匀;随着 LED 功率和基板面积增大，热管更容易启动;高温 40 ℃环境下 OHP 仍可有效冷却，且启动时间缩短。林梓荣等人[2]通过如图 8(a)所示的翅片板式 OHP 对 64 W 灯盘有效散热，保持最高温度在 70 ℃以下。李志等人[68, 69]还研究了不同冷却方式、热管结构参数和翅片面积对翅片板式 OHP 热管理性能的影响，结果表明，自然对流只能对功率低于 52 W 的 LED 有效冷却，使冷却效果较优的参数分别为：充液率 30%~50%、丙酮为工质、三角形截面、1 mm 水力直径、翅片面积 0.24 m2。李楠等人[5]提出的平板两侧通道交叉分布的三维 OHP 可以对 167 W 功率以下的 LED 有效散热，相同条件下该热管相比文献值体积更小，传热性能更好。
3.1.2 其他电子器件热管理 随电子技术的飞速发展，电子器件趋向集成化、小型化，热流密度急剧增加，且温度同样对电子器件的性能和寿命影响较大，这对热管理技术提出了挑战。Miyazaki 等人[209]为笔记本电脑散热设计了直线型和机翼型混合柔性 OHP，如图 9(a)所示，在转轴处为可弯曲的特氟龙管，可有效将 CPU 热量传递到显示屏后表面进行散热，最大传热能力可达 100 W。屈健等人[74]在半导体中嵌入梯形截面通道微平板 OHP，可以显著降低最大局部温度，提高温度均匀性，蒸发器温度最大降幅可达 34.1%。林梓荣等人[2]基于 OHP 开发了平板蒸发端设有翅片，管路呈 U 型和 L 型的 GPU 散热模组、翅片板式 1U 服务器散热模组，分别如图 9(b)、(c)所示，性能优于传统热管。陆谦逸等人[1]研究了基于翅片板式 OHP 的封闭机柜流场特性，OHP 启动后机柜内的空气温度降低，温度分布更加均匀，OHP 充液率与机柜发热功率相适应时效果更好;对机柜冷却系统进行了内部结构设计，并建立简化模型进行数值模拟研究，可保证功率不超过 1380 W 的机柜 CPU 温度低于 60 ℃。Maydanik 等人[155]将带扩热板和翅片的立体环形 OHP 用于电子冷却，如图 9(d)所示，验证了不同加热模式、倾角和工质等条件下热管的可靠性，甲醇确保了在均匀和集中两种加热模式下在最宽的热负荷适用范围，但在顶部加热、水为工质时热管无法启动。Dmitrin 等人[156]进一步研究发现，该 OHP 具有变和恒定导热系数两种工作模式，低热负荷时热阻随热负荷的增加而显著降低，脉动机制激活后则变化较小直至最小值。如图 9(e)所示，凌云志等人[192, 193] 将叶状三维 OHP 与相变材料耦合，用于电子设备的冷却效果优于典型多层三维 OHP，与传统的空调系统地板送风直接冷却相比，可以降低 50%的热阻;该耦合模块用于数据中心冷却，在降低 42.5%的热阻、保证温度不超过最大结温的同时，每年能够节约 186 kW·h 的电量。
3.1.3 其他热管理应用研究 脉动热管由于其在传热和结构方面的巨大优势，在其他热管理领域也开展了广泛的应用研究。
周智程等人[160]将带扩热板和翅片的二维 OHP 用于动力电池热管理，以混合比 1:1~2:1 之间的乙醇水为工质的 OHP 具有更好的启动和传热性能;30%充液率、48 W 加热功率条件下，电池平均温度可控制在 44 ℃左右，温差低于 1.5 ℃，均温性较好。通过空气换热器复制车辆环境，Burban 等人[158]证明了如图 10(a)所示的具有扩热板和翅片的三维 OHP 是混合动力汽车电池热管理的有效解决方案，但工质必须要与冷却空气温度的工作范围相适应。屈健等人[37]研究发现具有微槽冷热段、可变形绝热段以及翅片的混合柔性 OHP 在不同空间布置下传热性能良好，为复杂空间的电池热管理提供了一种可能的解决方案。王海等人[30]将平板蒸发器内含烧结铜颗粒的三维 OHP 应用于聚光光伏电池冷却，如图 10(b)所示，热通量为 5.88 W/cm2 时可以将电池的温度保持在 57 ℃以下，这相当于法向太阳辐射强度的 58.8 倍。
3.2 太阳能集热及余热回收
脉动热管已经在太阳能集热器领域展现出巨大的应用潜力[194, 195]。针对传统太阳能集热器的缺陷，陈洋等人[194, 195]受向日葵启发设计了如图 11(a)所示的花型 OHP，蒸发段采用花瓣形状充分吸收太阳光，冷凝段卷成圆筒状置于结构下部有效减少占地面积，随着吸热板温度升高，OHP 热阻最低可降至 0.14 ℃/W，并通过热损失理论分析与实验值进行比较，反映各区域的热损失;晴天条件下集热器可以稳定运行 7 小时，系统瞬时热效率可达 50%。Rittidech 等人[211]研究了带止回阀闭式 OHP 的太阳能集热器性能，结果表明，集热器效率可达 76%左右，效率的波动与时间、太阳辐射强度、环境温度和圆管表面温度等有关，且该集热器具有无腐蚀和避免冬季结冰的优点。
3.3 其他应用研究
除上述应用研究以外，研究人员还根据其他各个领域的热传输需求设计了新结构脉动热管。 Supirattanakul 等人[124]在空调冷却盘管前后添加了带止回阀的立体环形 OHP，如图 12(a)所示，在室内设计温度 20~27 ℃范围内、50% rh 相对湿度条件下，新冷负荷增加了 3.6%，有效减少能耗，OHP 空调系统的 COP 和 EER 值分别可提高 14.9%和 17.6%。 Yeboah 等人[130]将内置止回阀的螺旋管式 OHP 与圆柱形固体干燥剂填充床系统集成用于等温吸附，相比单匝闭式 OHP 具有更大的蒸发器，可以容纳更多的工质，并管理更大的热输入，蒸发器有效热导率的变化会影响接触面处的接触热阻和蒸发器的最大热输入量。
4 总结与展望
脉动热管由于其结构简单、传热性能好以及环境适应性强等优点，具有广泛的应用领域和极大的应用潜力。面向高热流密度器件、热能的利用和回收等领域的高导热性和工况适应性需求，脉动热管技术的发展趋势呈现结构多样化、功能实用化等特点，研究人员从强化传热和提高工况适应性等角度提出了结构多样的新型脉动热管。本文从强化热性能的内部新结构、适应不同工作要求的外部新结构以及新结构脉动热管应用研究三个方面进行归纳总结，得到的结论如下：
(1) 脉动热管的内部结构改进可以从增强工质与壁面换热、提高循环驱动力、促进工质振荡等方面协同强化脉动热管的启动和传热性能。脉动热管内表面结构和浸润性修饰，可以有效促进液体补充、气泡的核化、生长和溢出以及冷凝液滴的形成和脱离，增强工质与壁面换热;通过通道结构或布置方式的异型和非均匀设计，能够影响初始汽液塞分布和流型变化，引入附加驱动压差和压力扰动。
(2) 对脉动热管外部结构的改进能够从特定角度强化传热。为促进循环并增强扰动，以附加支路、连通管和特斯拉阀等形式添加管路，或引入多通道并联结构;在冷凝端顶部添加乳胶片、扩容室等，或改进为周期性涨缩式冷凝器，以增大冷热端压差;通过管式立体环形结构、板式多层通道等增强单位体积的传热能力;耦合翅片和泡沫金属等结构的传热优势，强化散热;为降低重力影响，引入冷热端匝数不均、双管等结构。
(3) 上述新型脉动热管的结构改进有效强化传热，能够满足各个领域的高热流密度传热需求，而对于复杂工况的应用，多种脉动热管外部新结构被提出：为保证与冷热源接触的扩热板、平板蒸发器和螺旋管等;设计花瓣状管路以适应旋转工况;针对局部热点问题的径向脉动热管;针对空间复杂工况，提出了多层管路、冷热段平行或垂直、可变形绝热段等三维脉动热管。