柔性熱管傳熱性能研究現狀及發展

侯正烜 蔡振 魏立志 陳雅琳 郭亞博 劉良旭

（華北理工大學冶金與能源學院 河北 唐山 063210）

1 前言

隨著現代電子信息設備等高科技產品向微型化、高速化、集成化和低功耗方向發展，基于氣液相變的熱管技術是一種高效的熱管理手段，而傳統剛性熱管滿足不了微型電子元器件高性能散熱需求，發展新型柔性熱管技術有望克服上述問題，具有重要意義。

柔性熱管的概念由Grover［1］在其研究中提出，受當時技術限制，熱管曲折性能較低。隨后Bliss［2］等人采用不銹鋼網制成的毛細芯作為熱管內部結構進行研究，最終得出了銅水式柔性熱管。Peeples［3］等人研究了熱管絕熱端的曲率半徑對熱性能的影響。實驗結果表明，過小的曲率半徑可能會造成內部吸液芯結構發生改變，導致熱管傳熱性能降低。Meier［4］等人設計出一種溫區1400K以下傳遞熱量1500kW的柔性熱管，該熱管可用于宇宙飛船散熱器上。李煒征［5］等人研究分析了低溫熱管處于不同傳熱極限對性能影響，得出重力熱管產生影響的傳熱極限只有兩種：干涸極限和沸騰極限。Jiale Huang［6］等人發明了一種y型柔性分支熱管，研究了工質填充比、加熱功率、彎曲角度、傾斜角、取向角和堵塞比等結構參數對柔性支熱管熱性能的影響。結果表明，與直管相比，柔性支管具有更高的冷卻能力和更大的最大熱負荷。Xuan Dai［16］等人建立了一個經驗方程，實驗表明，超薄扁平熱管（UTFHP）的熱性能劣化在0°和45°的彎曲角度范圍內，絕熱段的熱阻隨著彎曲角的增加而增長。Yang［15］等人測試了兩根扁平熱管的不同填充負載比，施加功率和傾斜角度。實驗表明，125%的最佳填充負載比產生0.12K／W的最低熱阻，傳熱能力為20W。代軒［7］等人研究了彎折對于柔性熱管熱特性的影響，得出氣液相界面的毛細壓差或者熱管的毛細泵力是影響熱管性能和運行的最重要參數之一。Xiaohua Zhu［8］等人對不同柔性管進行拉伸性能分析，結果表明，當柔性管受到靜水壓力時，外部壓力對柔性管拉伸性能的提高更大，但對極限拉伸載荷的降低明顯。Chao Liu［14］等人將三種不同的填充比例的工作流體加載到熱管中，分析表明，彎曲會干擾柔性扁平熱管中蒸發器到冷凝器的蒸汽流，從而導致蒸發部分的液蒸氣界面熱阻增加。

綜上可知，影響柔式熱管傳熱效率的因素有曲率半徑、內毛細壓差以及充液率等，文章將分別從這三個因素進行分析并提出優化的方法及建議。

2 柔性熱管類型

不同的管殼材質可將柔性熱管分為三類，分別是金屬柔性熱管、聚合物柔性熱管以及復合型柔性熱管。其中金屬柔性熱管主要分為兩種類型，一是金屬自帶伸展性質實現柔性特征，而另一類則是金屬波紋管作為柔性連接材料。由于金屬自身性質無法改變，此類金屬柔性熱管所具有的曲折能力并不突出。而聚合物柔性熱管是利用聚合物材料作殼體的具曲折能力的柔性熱管，雖然聚合物具有柔性特性，但此類聚合物導熱性能不佳，增加了熱管的傳熱熱阻，降低了熱管的傳熱效率。復合型熱管可分為兩類，一類是聚合物表面復合金屬層，能夠提高復合物的機械強度、氣密性、導熱能力。但聚合物本身導熱性較差，蒸發端和冷凝端的熱量仍需通過聚合物進行傳送，熱管的整體導熱能力相對較弱。另一類利用聚合物材料，將熱管的蒸發端與冷凝端相連。同時，蒸發端和冷凝端由金屬材料制成，不僅可以增強柔性熱管的傳熱性能，也可以保持聚合物較好的曲折能力。相對地，這種方法在加工工藝上難度比較大。

3 影響柔性熱管傳熱性能因素

3.1 曲率半徑

對柔性熱管性能研究發現，熱管傳熱過程中曲率半徑的變化對傳熱性能產生了重要影響。代軒［7］等人研究發現柔性熱管的熱阻與功率隨曲率半徑的變化而改變：

（1）當曲率半徑與加熱功率不變時，熱管熱阻隨著彎曲角度的增加呈現微小的增加；

（2）當固定曲率半徑和加熱功率時，熱管的極限功率隨著彎曲角度增加有一定的減??；

（3）當固定彎折角度和加熱功率時，熱管極限功率與曲率半徑沒有明顯的變化關系。

Daehoon Lee［9］等人設計了一種新型柔性薄板熱管。熱管采用一種具有納米結構的超親水表面的新型網狀結構。實驗表明熱管即使在彎曲條件下也能作為有效的熱導體。目前平板熱管在無曲率工況下，有效導熱系數可達3000W／mK。當曲率半徑為95mm時，有效導熱系數平均降低10%～20%。且納米結構的超親水表面與傳統基銅表面相比，能顯著提高材料的熱性能。當熱管啟動時，隨著熱輸入的增加，所制備的平板熱管的熱性能首先增加。當施加的熱量接近毛細管極限時，熱性能隨熱輸入而下降。受重力影響，處于垂直狀態的熱管性能最佳。Chuljae Jung［10］等人提出了用金屬密封的高性能聚合物柔性脈動熱管（FPHP）的方法，利用聚碳酸酯片用作基礎材料，FCCL用作信封。經實驗測試后發現FPHP的熱性能在垂直方向、水平方向和45°彎曲條件下以各種輸入熱力進行評估。對于垂直方向，FPHP的最大有效導熱性為1070W／m=K。FPHP即使在水平方向上也運行正常，FPHP的有效導熱性平均降低了20.4%。在45°彎曲條件下，FPHP的有效導熱性與垂直方向相比平均降低了3.4%。

3.2 毛細壓差

研究表明柔性熱管的毛細管壓差對其傳熱性能有重要影響。許樂［11］對微熱管的分析結果表明。當熱管達到毛細管極限時，由于蒸發與冷凝兩端溫差過大，毛細管體的毛細管力不足導致冷凝液體無法完全回流，蒸發器蒸發干燥導致熱管故障。因此毛細壓差對熱管的傳熱性能影響較大。代軒［7］等人研究得出熱管吸液芯內所形成的毛細壓差是由一根熱管的最大毛細泵力產生。分析可知，氣液相界面的毛細壓差或者熱管的毛細泵力對熱管性能和運行十分重要。如果熱管吸液芯中氣液界面形成的毛細管壓力差不足，熱管吸力中心處的冷凝水不得回流到蒸發末端。此時，熱管達到毛細管壓力極限，蒸發結束時的真空芯將蒸發干燥。吸液芯的物理結構是決定這一極限的重要原因之一，當熱管在穩定狀態下運行時，蒸汽由蒸發端不斷地向冷凝端流去，而冷凝后的液體由冷凝端通過吸液芯回流作用重新回到蒸發端。

理論上，整個工質處于循環狀態時，所有過程產生的總流動阻力不超過熱管所提供的毛細泵壓力，熱管便可以穩定地工作?？蛇M一步模擬和實驗，探究毛細壓差與柔性熱管傳熱性能間的關系，并得到最高效傳熱性能。

3.3 充液率

充液率是指填充液體的體積與液體流動所需毛細管結構中面積的體積之比，可通過毛細芯的孔隙率的計算求得，可根據Lu Heqing［12］提出金屬絲網的孔隙率的計算方法。孔隙度的物理意義是指毛細循環中孔隙部分與其整體之間的體積比。繼而根據熱管中毛細結構的大小和孔隙率的大小，計算出理論流體填充能力。實際上，在熱管內毛細層的角落區域將有一個死區，沒有液體參與流動的死區，充液管路也存在著有液體損失，實際充液量可通過減去該損失來確定。

Jiale Huang［6］等人測試了柔性熱管處于不同參數條件時的熱性能。結果表明，與直支熱管相比，柔性支線熱管具有較高的冷卻能力和較大的熱負荷最值。具有15%工作流體填充比的柔性支氣管具有最小的耐熱性，而填充率為45%的管道具有最佳的抗重力性能，它可以在90°彎曲后正常工作。楊超［9］等人研究了柔性熱管中液體填充率對柔性熱管傳熱性能的影響。研究結果表明，當熱管輸入的參數數值保持不變時，管內液體的充液率過高或過低都將嚴重影響傳熱效率。最后分析可知，當填充率較低時，會造成工質不夠充分，熱量沒有從蒸發完全交換到冷凝端，這增加了兩端的溫差，提高熱管的導熱性和熱阻，并影響其傳熱性能。如果液體填充率太高，則工質太多會淹沒蒸發區域的液體吸收結構。當管內液體流入蒸發段，將會增加傳熱熱阻。

Li［13］等人比較了扁平超薄熱管的三種不同的復合燈芯結構。熱管尺寸為200mm×7.8mm×1mm，以水為工作流體。測試了三根熱管在水平方向上的不同填充比（50% ～80%）和施加功率（8W～15W）。觀察到最佳填充率分別為70%，70%和80%。最大熱功率耗散為12W、13W和14W時，可實現最佳填充比。

4 發展趨勢

現目前，針對如何提高柔性熱管的傳熱性能仍需深入研究，文章對未來柔性熱管的發展方向和應用前景提出幾點拙見供參考。

（1）今后研究中對毛細壓差與柔性熱管傳熱性能間的關系可進一步模擬和實驗，得到更高效的傳熱性能。理論上，柔性熱管內表面結構影響內部毛細壓差大小，整個工質處于循環狀態時，所有過程產生的總流動阻力不超過熱管所提供的毛細泵壓力，熱管便可以穩定地工作，提高整體工作效率。

（2）研究柔性熱管內最佳充液率。實際上，在熱管內毛細層的角落區域有一個死區，沒有液體參與流動，充液管路也存在著有液體損失，實際充液量可通過減去該損失來確定。因此改變充液率大小可彌補工作介質上的缺陷，提高柔性熱管傳熱性能，對今后柔性熱管的發展和研究有著重要作用。

（3）研究新型工質增強傳熱性能。基于大量研究發現，利用混合物作為柔式熱管的工質能夠提高其傳熱極限，且混合工質也可在低溫區間及高于低溫區中各組分所處臨界點溫度下運行，研究新型混合工質將有利于提高柔性熱管傳熱效率。

（4）利用柔性熱管對人體進行散熱。目前，病人手術后局部發熱的降溫效果不佳，對柔性熱管式人體降溫研究能夠很好地解決這一問題，不僅降溫效果高效、成本低廉，而且不會對病人的生理機能造成損害、產生不適感。

5 結論

文章介紹了柔性熱管的基本結構、應用原理及研究現狀，對影響柔性熱管性能研究進行分析，得出結論：

在一定范圍內，隨彎曲角度的逐漸增大，彎曲會干擾柔性扁平熱管中蒸發器到冷凝器的蒸汽流，柔性熱管傳熱熱阻也隨之增加，傳熱性能也將降低；當熱管達到毛細管極限時，毛細管體的毛細管力不足導致冷凝液體無法完全回流，蒸發器蒸發干燥導致熱管故障；處于一定條件下，15%工作流體填充比的柔性管具有最小的耐熱性，而填充率為45%的管道具有最佳的抗重力性能。