Ω型轴向槽道热管的发展研究

来源：核心期刊咨询网时间：2014-04-17 17:1312

摘要：关键词：槽道热管；形轴向槽道；研究进展 摘要：回顾了槽道式吸液芯热管的理论研究进程，重点介绍了形轴向槽道热管的发展。认为形轴向槽道热管，作为槽道热管发展的新生代，以其更加优良的传热特性，针对中低温余热回收领域，克服梯度大、品位低、热值分散等

　　关键词：槽道热管；Ω形轴向槽道；研究进展

　　摘要：回顾了槽道式吸液芯热管的理论研究进程，重点介绍了Ω形轴向槽道热管的发展。认为Ω形轴向槽道热管，作为槽道热管发展的新生代，以其更加优良的传热特性，针对中低温余热回收领域，克服梯度大、品位低、热值分散等瓶颈，提高其回收效率和品质，促进节能减排，推进国家十二五规划的顺利实施，将是今后热管研究的新亮点。

　　中图分类号：TK124  文献标识码：A

　　自Grover明确提出热管概念[1]，Cotter发表热管基础理论[2]以来，热管技术的研究和应用一直受到广泛重视。随着热管技术研究的发展与深入，其重心也已经从理论研究转移到应用研究，热管应用研究已经由航天转向地面，由工业转向民用，在太阳能利用、笔记本电脑CPU散热冷却、冶金能源、建筑节能等领域的应用，也将促进新型热管技术的开发与应用[3]。

　　槽道热管，最早见于Kemme在1966年[4]和1969年[5]的报告。因其单位几何结构和工质填充下，蒸发段和冷凝段均具有较高的换热效率（103-105W/m2K）和较小的热阻（0.01-0.03K/W）[6]，而占据了热管研究的最前沿阵地。槽道热管，槽道热管按照槽道形状可以分为三角形（triangle）、矩形（rectangular）、梯形（trapezoid）以及最新发展起来的“Ω”形等。

　　1槽道热管特性

　　槽道热管，是在实现热管多相传热、热阻更小、传热系数更高等功能的同时，利用槽道界面张力的作用可以使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能[7]，总体来说有以下特点：

　　1）槽道吸液芯热管不仅继承了普通热管两相流动、相变传热的优良传热特性，槽道将提供毛细力媒介，更适合微流动、微相变、和微尺度传热传质；

　　2）槽道热管的毛细回流力由汽液两相界面轴向曲率半径差提供，作用力方向为槽道延展方向，且汽液两相直接接触等特点使槽道热管的理论研究更具特点。

　　3）因其槽道可在管内壁直接加工，热管即可通过挤压等塑性一体成型，利于工业化生产，具有很广阔的应用前景。

　　4）由于槽道热管重在可“微”，不仅高效，而且二次加工性能好，适合高效传热传质，可广泛应用与电子散热、超重力场、电磁场等科技领域；

　　2槽道结构发展历程

　　自1996年槽道形式结构热管被提出以来，总共经历了三角形、梯形、矩形、星形、菱形等轴向槽道结构以及螺旋形、蝶形辐射等各向异形槽道。随后2008年出现的Ω形槽道热管，最终因其较高的传热特性和良好的二次加工性能，成为了槽道热管研究发展新的里程碑。

　　对于槽道热管的理论分析，既有与其它吸液芯形式相同的分析方法，也有针对槽道开展的理论研究。其研究方法主要有三个方面：经验公式法、数值分析法及两种方法的结合。

　　经验公式法一般是将热管的各个传热过程统一考虑，得到适合于某一特定工程应用的理论模型。这种方法得到的模型便于使用，计算量小，结果相对可靠，适合于工程应用，但需要大量数据支持，适用范围小，热管内部各参数对其传热性能的影响无法获得。该方法在20世纪90年代后，很少单独使用，往往作为其它分析方法的验证、初步设计或概念设计阶段的基础而开展[7]。

　　数值分析方法是指采用有限单元法、有限差分的方法数值求解动量、质量和能量守恒方程，得到热管内部的流动传热传质特性。而计算过程中的各种影响流动、传热和传质的因素均可能得到考虑，分别有：充液量、槽道尺寸和形式、工作温度、工作角度、工作介质种类和热物性等。随着槽道热管研究的深入，另外其他微形因素也得到了重视，比如：半月面曲率半径、相间摩擦系数、热流密度等，且发现某些因素在特定情况下，可以成为影响热管传热性能的主要因素。对于热管流动和传热过程的数值模拟，目前仍处于发展阶段。由于热管内部过程牵涉多相流、相变传热、毛细驱动力和多孔介质等多个复杂领域，因此目前针对热管开展的数值计算研究并不多，而且有赖于相关领域计算技术的进一步发展。

　　前期研究一般主要以建立模型、数值分析为主的应用基础理论研究。运用数值分析的方法，将梯形微槽道结构传热传质区域划分为宏观和微观，数值计算得出微观区域即微槽道区传热能力极强，证实了微槽道的良好传热特性；

　　最早出现的是轴向槽道形式。1996年，槽道热管界相继出现了梯形[8-12]、矩形[13]、三角形[14-17]等槽道结构形式热管，学者对其进行了应用基础理论研究：通过构建动量守恒方程、Laplace-Young方程以及热平衡方程，针对剪切力、接触角、充液量、半月面曲率半径、相间摩擦系数等因素进行考查，得出槽道热管的毛细极限、传热极限功率、传热热阻等热管表征参数，随着微尺度研究的深入，建立起多维平衡方程，进而计算出槽道内两相压力以及蒸汽压力分布，得出具有较高的传输功率和较好的传热特性，槽道内壁有一定的摩擦将对热管传热有利，并试图通过实验研究，验证了其准确性。其中，苏俊林等[18]针对矩形槽道平板热管，对其热流密度和工作温度进行了试验研究，研究表明矩形槽道平板热管具有很高的传热能力，适合电子散热；

　　对于梯形、矩形、三角形等轴向槽道结构形式的理论研究，持续到2005年第十三届国际热管会议的召开，虽然一直处于理论研究阶段，但是研究方法和构建模型已经有了新的进展，出现了更加贴近槽道结构形式的微尺度理论：针对槽道内部润湿速度、超临界启动方程等，建立起热平衡积分方程和非稳态守恒方程，方程从一维也发展了到二维，不断丰富与充实了槽道热管传热理论，为以后槽道热管的应用研究以及新型槽道结构形式的出现奠定了基础。

　　自从槽道的结构形式从单一发展成多样化的同时，各种槽道之间的对比试验也成为学者的主要研究内容。张春丽等[19]通过对燕尾槽平板热管的倾斜角度和充液量进行研究，分析得出在重力辅助情况下，充液率为1.2的燕尾槽平板热管性能优于矩形槽道热管。Thamas等[20]对三角形、矩形等微槽道热管进行了对比研究，模拟得出液相的回流速度，为槽道间的理论对比奠定了基础。随着对比研究深入，通过挤压方法生产的不规则型微槽道，形状介于矩形与倒梯形之间，实验研究成果表明，具有更好的传热性能[21,22]；

　　随着轴向槽道热管的研究深入，轴向槽道热管的槽道形式也相继出现了新的结构形式。为了解决微型热管毛细极限比较小，传热受到明显限制的缺点， Kang等[23,24]提出了星形槽道和菱形槽道结构以强化毛细压头，增加尖角和狭缝。实验结果表明：星形热管和菱形热管的当量导热系数已达到277.9 W/(m?K)和 289.4到 W/(m?K)。为了满足电子市场的散热需求和微型要求，而轴向槽道的加工并不能达到预定散热额度，研究者的目光也开始转向了各向异形槽道，槽道的理论研究也逐渐转向了工程应用，陆续出现了螺旋形、蝶形辐射槽道平板热管等。

　　与轴向槽道研究相比，螺旋形槽道引入了螺旋转速这一影响因素。增加转速对提高螺旋槽道热管的毛细极限有明显作用，使其在反重力情况下，具有较强的传热能力[25-27]。随后Todd 等[28]把螺旋槽道引入旋转热管领域，详细研究了包括空间螺旋槽道热管在内的旋转热管的传热性能，建立了比较完备的数值模型，从理论上和实践上丰富和完善了旋转热管，特别是空间螺旋槽道旋转热管的理论，并且在转轴的散热方面给出了应用状态下的实验数据。

　　不仅出现了各向异性槽道，学者也针对特定的散热领域，开发出了相应的高效槽道吸液芯形式的高效微型热管，对数以阵列形式设计，在微电子领域应用广泛。Ponnappan Rengasamy等[29]描述了一种丝网形槽道热管，通过试验与矩形槽道热管相比较，得出热流密度达到115W/cm2，已经应用于电脑CPU和激光表面元件的散热。随后也出现了应用于激光二极管TO集成部件的蝶形辐射槽道小型热管散热器[30]，基板为铝质，通过优化散热器结构，完全可以满足传热性能的要求。

　　研究学者除了对不同槽道结构形式进行研究，而且也对热管槽道内工作的工质也进行了优化处理研究。2010年，Kyu Hyung[31]等基于矩形平板热管，将工质中添加氧化铝纳米颗粒，建立槽道纳米流体流动模型，研究表明添加纳米颗粒形成纳米流体，可以增强热管的传热特性，为今后微槽道热管的发展，重新指明了新的研究方向。

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