陈人杰
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第１０期林梓荣等：脉动热管技术研究进展
（ａ）闭合回路结构（ｂ）开放同路结构（ｃ）带单向阀的回路结构
图１脉动热管基本结构
质，弯头一端为加热段，另一端为冷凝段，在中间则根据需要布置绝热段。
其运行机理为：工质在一个蛇形密闭的真空空间里，以低于常压蒸发温度受热蒸发产生气泡，气泡迅速膨胀和升压，形成蒸发端，推动工质流向低温冷凝段，气泡在冷凝段冷凝收缩并破裂，压力下降，工质回流。另外受热产生的蒸气和冷凝产生的液体在毛细管力和弯曲力的作用下，管内最后将形成气塞和液塞问隔随机分布的振荡状态。正是这样，由于冷热两端问存在压差以及相邻管问存在压力不平衡，使得工质在加热段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我振荡。
脉动热管的结构与运行机理使之与传统热管相比具有如下优点：①体积小、结构简单、成本低。管径小决定了整体尺寸小；而且不需要吸液芯，减少了热管结构的复杂性和生产成本；振荡动力来自振荡热管本身，无需其它附属设备，运行和维护成本低。②传热性能好。除通过相变传热外，脉动热管还
通过气液振荡传递显热并将热量转化为振荡需要的功。③适应性好。脉动热管的形状可以任意弯曲，可以有多个加热段和冷凝段，而且加热和冷凝的部位可以任意选取，可以在任意倾斜角度和加热方式下工作，这就大大增加了脉动热管的适应性，扩大了应用领域。这些优点决定了脉动热管在解决小空间高热流密度散热；开发高效换热器和制冷设备；实现在重力场变化条件下的控温技术等方面都极具发展前景。
２实验研究现状
２．１脉动热管的可视化实验
目前，脉动热管技术的研究主要集中在实验方面，通过可视化实验观察脉动热管启动和稳定运行时管道内的流型、流向等情况是一种常用的研究方法。
Ｌｅｅ［１］采用乙醇作为工质，以铜板开槽、聚丙乙烯密封的办法进行脉动热管可视化实验，槽道尺寸为１．５ｍｍｘｌ．５ｍｌ－ｎ，但并未观察到工质的循环流动，液体回流只是简单的层流流动，而不是典型的气液柱塞流。Ｈｏｓｏｄａ等【２】用内径为２．４ｍｌｎ、外径为４．０ｒａｉｎ的玻璃管组成弯头数为１０的环路脉动热管，并以纯水作为工质，再掺入墨水来观察管内流动情况，发现当充液量较大时，工质会出现简单的周期性流动。Ｔｏｎｇ等【３】用乙醇为工质，内径为１．８ｍｉｌｌ的聚乙烯管组成弯头数为７的环路脉动热管作可视化实验（见图２）。结果发现，脉
全家福照片简笔画动热管启动时，工质沸腾，继而形成汽液塞相问的稳定状态，并存在一个最小的启动热负荷，使流体在回路中能沿某个固定方向循环流动。Ｋｈａｎｄｅｋａ等［４］和Ｚｈａｎｇ等【５Ｊ还观察到液塞在管内运动的过程中，工质在管壁形成液膜。杨蔚原等旧Ｊ贝０认为气泡在加热段的剧烈膨胀是脉动热管内的典型现象。
追溯调整法（ａ）０（ｂ）０．０３１５Ｓ（ｃ）０．０６７６Ｓ图２Ｔｏｎｇ观测到脉动热管启动时气泡的成长过程
之后曲伟掣７１、杨洪海等［８】、曹小林等［９］通过可视化实验都发现当输入热量较低时，管内基本为塞状流，流体只能在局部范围内作小幅度振荡，传热性能较差。但随着热流密度的增加，流体振荡幅度增加，管内流型从塞状流逐渐转化为环状流，传热性能得到改善。徐荣吉等【１０Ｊ也观察到脉动热管从启动到稳定运行的过程，工质的流型会经历泡状流、弹状流、塞状流到搅拌流的变化。
综上所述，脉动热管随着加热功率的增加，工质的蒸发加剧，冷凝回流的工质量也加大，经历了启动阶段到稳定振动阶段。管内工质由简单的壁面回流转变为剧烈的循环流动，流型发生相应的改变，
传热性能逐渐增强。而蒸发段主要出现气泡的产生、
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化工进展２００８年第２７卷
征，这对脉动热管的设计提供了理论指导。
近年也有不少学者在实验数据的支持下总结半
经验公式对脉动热管进行预测。Ｒｉｔｔｉｄｅｃｈ等【１３－１４】
在充分考虑充液率、管径、工质、止回阀的比例和
量纳为１参数影响的基础上建立关联方程，成功预
测了脉动热管垂直或水平放置时的工作范围。
Ｋａｔｐｒａｄｉｔ等【３１】利用相似分析法，结合考虑加热段、
长痘的位置绝热段、冷凝段问不同比例的影响，总结出预测临
界热流密度的关系式，与实验比较标准偏差分别为±１８％和±２９％。
通过上述的总结，脉动热管的运行受到多种因素的影响，既有汽液两相的流动又存在有相变化的热交换，所以要获得较好的数值模拟结果，就必须有正确的流动模型及大量的实验数据为基础，再充分考虑各因素的相互影响。小学数学内容
４脉动热管技术的应用
目前开发出来的脉动热管散热器有以下几种形式：翅片式脉动热管，柔性连接热管，平板式脉动热管等‘２３一矧。
翅片式脉动热管是将脉动热管设计成散热板的翅片，并焊接在散热板上成为一个整体。柔性连接是通过脉动热管将热源和热汇（冷源）连接起来，由于脉动热管可以将热管制造成各种形状，所以对热源和热汇的相对位置要求很低，其它部分作为辐射翅片。平板式脉动热管可以将热管的一部分埋入热源或散热板中，其它部分作为辐射翅片（图４）。
图４翅片式脉动热管散热器
Ｍｅｅｎａ等［４６Ｊ把带单向止回阀的回路脉动热管（Ｒ１３４ａ作为工质，５０％的充液率）应用于干燥系统（见图５），充分利用余热来预热空气，降低相对湿度。实验证明当空气温度升高，风速降低，系统的换热性能有所提高，相对湿度由８９％～１００％降至５４％～７２％。
图５带回路脉动热管的干燥系统
冷冻技术方面，应用脉动热管极高的换热系数来完成细胞快速冷凝，实验发现应用脉动热管技术能迅速传递热量，在低ＣＰＡ（保护剂的浓度）的条件下，快速冷凝，实现玻璃化，有利于低温冷藏细胞㈣。
Ｒｉｔｔｉｄｅｃｈ等【４８Ｊ把密闭回路脉动热管应用到空气预热器中，可以减少干燥器的能耗。实验采用管径为２ｔｏｎｉ、蒸发段和冷凝段分别为１９ｃｍ、８个弯头、充液率为５０％的脉动热管，空气冷凝段温度为３０℃，发现当热空气端温度从６０℃升至８０℃，热交换效率有所提高（图６）。
图６回路脉动热管空气预热器
此后他又把充有Ｒ１３４ａ工质的回路型脉动热管应用到太阳能收集器当中（图７），大约能够收集到６２％的太阳能，与传统昂贵的热管系统效率相当。此外应用回路型脉动热管的太阳能收集器还具有防腐、冬季不会出现冷凝现象的优点等【４９１。
由此可见，脉动热管凭借其传热性能好、适应性强、结构简单的特点，无论在芯片散热、能量收集、冷冻技术等方面都具有很好的发展前景。
５脉动热管技术的展望
脉动热管作为一种新型热管散热技术，各方面的实验研究和理论模拟研究都证明其性能优越，但
脉动热管技术暂时还没得到广泛的应用，其原因有 万方数据
>空军大校
