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热管技术及应用:脉动热管构造形式

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发表于 2020-11-15 16:57:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
近年来,随着电子芯片、发光二极管和动力电池等领域向着小型化和高集成化发展,因过热而导致这类器件可靠性问题日益得到了重视关注。脉动热管作为上世纪90年代初提出的一种传热元件,由于其设计简单、成本低和热性能优越,在余热回收、航天热管理和电子冷却等场景的高效冷却装置设计与开发中有着很好的应用前景。
           
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图1 热管工作原理示意图:(a) 常规重力热管;(b) 脉动热管

不同于传统重力热管(如图1(a)),脉动热管的基本结构仅仅包括一个在平面内蛇形排列的连续无芯毛细管。如图1(b)中所示,脉动热管按环路结构可分为封闭型和开放型两种,但由于封闭回路中的工质最终能够实现稳定的循环流动,使得封闭性脉动热管得到了更多的关注。该型热管还具有易于小型化、结构灵活和逆重力运行等优点,而缺点在于由于完全依靠热驱动,相比于传统毛细力辅助工质流动的热管在面对长距离热输送需求时会有局限性。闭合回路脉动热管的加工过程和传统热管类似,都要经历三个过程:管内抽真空,工作流体部分填充和密封。加工完成的脉动热管在未启动时,内部工质会以非均匀气液塞的形式自然地分布在毛细管内。在对管束的一端加热后,热量通过内部持续的气液两相流体振荡或循环流动将热量传递到冷却端进行散热。正是由于上述基于两相流传热的独特工作原理,脉动热管相比单一的金属导热结构具有显著的性能优势。研究表明,脉动热管等效导热系数可以达到铜的几十倍。总的来说,脉动热管是一种简单可靠、无噪声并且经济可行的传热选择。
由上述脉动热管的工作原理可知,脉动热管主要依靠工质的振荡运动将蒸发段的热量以潜热和显热的形式传递到冷凝段。因此,强化脉动热管的传热性能应从以下两个方面着手:(1)强化管内汽液介质与管壁之间的传热;(2)增加管内工质振荡频率和循环力。当前研究涉及的脉动热管主要包括管式和板式两种。基于上述强化思路,国内外已提出了多种新的脉动热管构造形式,具体如下:

1.     止回阀结构脉动热管
在脉动热管回路中配置一个或多个单向止回阀(图2)可以使工作流体按规定的方向循环流动,这使得带止回阀的闭式循环脉动热管的热性能要优于常规的闭式循环脉动热管。随着研究深入,目前还发展出一种特斯拉型止回阀平板脉动热管,如图3所示。与上述的浮球式止回阀相比,Tesla阀完全由通道构成,结构简单且易于与脉动热管结合。其特点在于流体在主通道流动时压降较小,而在侧通道流动时压降较大。通过合理地布置Tesla阀可使工质在脉动热管中正向流动的流动阻力低于反向流动的流动阻力,从而抑制工质的反向流动,促进工质单向循环流动,有效降低运行热阻。
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图2止回阀结构脉动热管        图3 特斯拉型止回阀平板脉动热管

2.     不均匀通道结构脉动热管
对于依赖热驱动的脉动热管来说,当在其内部添加图4中所示的不均匀通道结构时,工质在受热蒸发时不同口径的曲率半径使得液膜产生的表面张力不同,从而产生额外的循环动力。附加的循环力可以促进工质的循环流动,强化脉动热管的启动速度和传热能力,这一优势在中低热输入功率以及非均匀加热时表现得尤为明显。类似的构形还有如图5和图6中带斜向通道或部分波纹结构的脉动热管,在相邻主通道中加入起连通作用的斜通道可以促进流体单相流动。此外,在蒸发段布置波纹结构同样能够显著提升脉动热管的启动和传热性能。
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图4不均匀通道示意图  图5斜向连接通道平板脉动热管  图6波纹结构脉动热管

3.    吸液芯结构脉动热管
吸液芯结构是近年来受到广泛关注的脉动热管内部结构优化方案。目前吸液芯结构主要有沟槽和多孔芯。在热管内壁面增加类似图7中所示的微槽结构不仅可以显著降低脉动热管的启动时间和启动功率,还可以增强显热和潜热的传递,使脉动热管获得较低的热阻和蒸发段温度。多孔芯结构是传统热管中提供毛细力使液体从冷凝器部分返回蒸发器部分的毛细尺度结构。热管中常用的是烧结颗粒状(如图8)、丝网状和筛状的多孔芯结构。常规的脉动热管是没有芯结构的,但考虑到烧结芯结构可以大幅度增加工质的潜热传递,因而将其引入脉动热管中以提升传热性能。在这个过程中,潜热的增加使得汽塞温度和压力均得到提升,从而增加了液塞的振荡幅度。
Snipaste_2020-11-15_16-55-05.png 图7 微螺旋沟槽内表面   图8 烧结铜颗粒芯结构

4.     三维脉动热管
传统的脉动热管研究多是基于二维单层通道结构,借助内部的两相流动传热特性能够表现出远高于纯金属板的传热能力。但是,随着现代热管理场景的日益复杂会发现常规单层式的脉动热管结构会将热质的输运限制在二维平面内。在面对高热流密度场景,具有更高通道密度的三维结构近年来也受到人们青睐,如图9所示的不同层数的三维管式等形式。三维脉动热管的主要目的是为了延展脉动热管在三维空间中的传热能力,同时更加紧凑的工质流道分布使单位面积内热量能够更多地被传递。
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图9 不同层数的三维管式脉动热管

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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布

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