振荡热管的研究现状与应用前景_郑立秋

吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报Vol .27 No .1 Feb .2010第27卷 第1期2010年2月Journal of Jilin Institute of Architecture & Civil Engineering 振荡热管的研究现状与应用前景郑立秋 孙世梅 齐俊峰 李明柱(吉林建筑工程学院市政与环境工程学院，长春 130021)摘要：振荡热管作为一种新型独特高效的传热元件，具有体积小、结构简单、传热良好、适应性广等优点.在电子元件散热、新能源利用及余热回收等领域都极具潜力.本文综述了振荡热管的结构、工作原理、运行机制；概括了国内外研究现状；列举了振荡热管在几个领域的工程应用及应用前景；在前人的基础上总结出振荡热管目前存在的问题，以及解决方法，指出振荡热管的多样化、微型化、实用化是今后的研究方向.关键词：振荡热管；新能源；传热机理；应用前景中图分类号：TU 8 文献标志码：A 文章编号：1009-0185(2010)01-0061-04Oscillating Heat Pipe Research Present Situation and Application ProspectZHENG Li-qiu ，SUN Shi-mei ，QI Jun-feng ，LI Ming-zhu(School of Municipal & Environmental Engineering ，Jilin Institute of Architectureand Civil Engineering ，Changchun ，China 130021)Abstract ： Oscillating heat pipe as a new type of unique and highly efficient heat transfer component ， has many bene fi ts such as small size ， simple structure ， good heat transfer ， the advantages of wide adaptability and so on . Heat dissipation in electronic components ， new energy use and waste heat recovery and other potential areas also have deeply potentiality . This paper summarized the oscillating heat pipe structure ， working principle and operation mechanism ， the domestic and foreign research present situation ； and cited oscillation heat pipe in several areas of engineering applications and application prospects . Oscillation heat pipe presently existed problems on the basis of predecessor’s foundation ， as well as the solution . Pointing out that the diversi fi cation of oscillating heat pipe ， micro-and utility are the direction of future research .Keywords ： oscillation heat pipe ； new energy ； heat transfer mechanism ； application prospect0 引言振荡热管(Oscillating Heat Pipe ，简称OHP)又称脉动热管、自激振荡流热管、弯曲毛细管热管等，是基于普通热管且优于普通热管的一种新型独特的传热元件，由日本的Akachi 于20世纪90年代初提出的.与普通热管相比，振荡热管具有结构简单、成本低、传热性能优良，适应性强等特点.因其巨大的应用潜力而日益受到国际传热学界的高度重视，成为相变传热领域一个引人瞩目的研究热点.初步认为振荡热管的工作原理是管内工质吸收热量形成气、液塞，热量是通过其振荡、相变潜热和显热实现传递的，并提出强化管内工作流体与热管壁面之间的换热，提高管内的振荡频率与循环动力两种途径来强化振荡热管的传热.概括了振荡热管的研究现状，认为经历过目前的“认识”阶段后，必将向更深入的“强化”与“控制”阶段过渡，振荡热管的强化传热与控制将会成为日后重要的研究内容.通过列举收稿日期：2009-05-11.作者简介：郑立秋（1985～），女，吉林省长春市人，在读硕士研究生.吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报第27卷62其在电子元件散热、地热采暖、冻土层、太阳能集热器等领域的应用，证实了振荡热管巨大的应用潜力和广阔的应用前景.分析了目前的不足，希望能够为日后的研究提出几个可行方向.1 振荡热管工作原理在一管内抽成真空的弯曲毛细管中，充有一定量的工作介质，该介质在冷热端温差及表面张力的作用下形成汽、液塞状流随机地出现在管路中， 这样，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，即通过相变和液塞的振荡实现热量的传递.其传热现象集沸腾、蒸发、冷凝、脉冲振荡于一体，这些物理过程并非是彼此孤立和简单地叠加，而是一个有机互动整体过程，到目前为止人们对其运行机理已有初步了解.图1振荡热管的基本结构(1) 沸腾阶段.蒸发段工质被加热，就在管壁气化核心处产生剧烈沸腾，产生小气泡且不断扩大，形成气塞；长液塞被分段，形成液塞.如采用底部加热方式，则气塞、液塞整体上移.(2) 过渡阶段.运行初期管内介质流动方向不定，当两液塞相遇时，压力大的一侧推动压力小的一侧流动，直到整个热管中介质形成单向循环流动.(3) 稳定运行阶段.在此阶段，介质周期性、有规律的停顿、徘徊，短暂停顿后继续运行，如此反复.根据振荡流热管的运行机理， 可以得出两种途径来强化振荡流热管的传热： 一是强化管内工作流体与热管壁面之间的换热； 二是提高管内的振荡频率与循环动力.2 振荡热管的研究现状早在1993年，日本的Akachi 提出了无流向控制阀的新型回路热管——振荡热管，并且提出了开式回路和闭式回路两种结构.此后，国内外许多学者对脉动热管内部两相流动的流型及运动过程的可视化实验，对包括充液率、断面形状、尺寸、工质、倾角等在内的多种影响因素与脉动热管传热性能的定量关系进行了大量的研究[1].Piyanun charoensawan 等[2]搭建了闭式环路脉动热管实验台，根据换热效率公式[2]：V C TQ U '通过测量体积流速，、绝热段、冷凝段温度计算闭式环路振荡热管的换热效率.考虑倾斜角度、充液率和热管总长度，得出结论：随着倾斜角度的增加（0°～90°），换热率略微下降；当充液率在50%～70%时，任何角度倾斜角的换热率均达到最大值；热管总长度从5m～17.5m 变化时，任何角度倾斜角的换热率有极大地提高.商福民、刘登瀛等[3]针对不等径结构回路型自激振荡热管利用电加热板作为热源，通过改变加热板的输入功率（P=GC P (T 2-T 1)[4]以及加热板的位置，对其壁温和传输特性进行了实验研究，并与等径结构回路型a 闭合回路 b 开放回路 c 带单向阀的闭合回路气泡液塞液塞振荡冷热段绝热段蒸发段第1期63自激振荡热管在相同的工质及充液率，相同的热管长度及倾角，以及相同的电加热板位置等条件下的传热特性进行了对比分析.结果表明：不等径结构自激振荡流热管在中、低负荷情况下，可以起到明显的强化传热作用；而当不等径位置在热管的最下面、热源位置在变径区域的下部时强化传热效果最佳.曹小林、王　伟等[4]建立了部分可视化的环路型铜2乙醇脉动热管试验台，研究了充液率、倾斜角度、环路数目等因素对脉动热管传热性能的影响.定义OHP 运行热阻为加热区和冷却区温度差与总传热量之比[5]：()h c T TT T R Q .结果表明：不能形成脉动效应时工质的流型是间歇振动，形成脉动效应时工质的流型是弹状流或环状流； 最佳倾角为70°～ 90°，最佳充液率在50%左右；热阻随着环路数目的增加而减小.Yu-Hsing Lin ，Shung-Wen Kang等[5]通过实验研究分析了银纳米流对振荡热管换热性能的影响，并分析了影响因素.结果表明：60%的充液率比40%传热效果好；当热功率为85W时，蒸发器和冷凝器的平均温度和热阻下降7.79℃和0.092m 2·K/W .3 应用前景虽说目前对振荡热管的研究还处于实验和理论建模探索阶段， 但由于其自身的优点， 许多振荡热管产品从实验室中走出来， 在工程实际中得到了应用.（1）电子元器件散热.随着电子科技的进步， 电子元器件的体积越来越小， 集成度越来越高， 功耗也越来越大[6].传统的空气自然或强制对流散热显然已不能满足电子技术发展的需求， 迫切需要开发小而轻、强散热能力、低成本的新型传热装置.振荡热管可以作为一种高效的导热元件广泛地应用于电子元器件冷却领域.近年来日本TS Heat ronics 公司[7]开发的用于Intel Pentium 4218GHz CPU无风扇散热器NCU - 1000 ，主体和散热翅均由铝- HFC134a 板式振荡热管制作， 具有散热效率高、无噪声、安装方便等优点.（2）应用于太阳能集热器.Rittidech 等[8]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，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.（3）应用于余热回收.Meena 等[9]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，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％.（4）应用于地板采暖.振荡热管应用于地板采暖系统， 具有热响应快， 温升高， 节能等优点， 与传统的聚乙烯管式采暖系统相比， 该系统可节省30%的能源消耗.集热系统和采暖系统完全独立，减少了系统的相互影响，同时也降低了系统的承压要求.该系统热稳定性好，连续供热能力强，与自动控制系统配合后，此太阳能地板辐射采暖系统可以连续、稳定、安全地运行[10].（5）除了上述应用外， 涉及传热的领域大多可以应用振荡热管， 尤其是用于小空间高热流密度的散热场合.4 结论振荡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，但振荡热管技术暂时还没得到广泛的应用，其原因有以下几个方面：（1）由于振荡热管的运行涉及带有沸腾和冷凝的汽液两相流动，影响参数众多，所以在研究上有较大难度，对其运行机理的研究还很不成熟；郑立秋，孙世梅，齐俊峰，李明柱：振荡热管的研究现状与应用前景吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报第27卷64（2）振荡热管的一些关键问题，例如，如何优化设计、如何确定传输极限、温度的波动问题等，还没有得到解决.针对上述分析，今后振荡热管技术研究发展应该从以下几方面着手.（1）寻找振荡热管的最佳工作条件，对各个参数的相互影响进行系统研究；（2）改进现有的理论模型，考虑多因素影响，尽可能逼近管内实际运行情况，更好地从本质上认识振荡热管的工作过程；（3）将振荡热管应用到工业实践中，对各运行参数进行优化，在实际工业使用中发现问题并进行改进；（4）拓宽振荡热管的应用领域，使其为社会做出更大贡献.参 考 文 献[1] 曹小林， 王 伟.脉动热管的研究综述[J].能源研究与应用，2006；(5)：17-19[2] Piyanun Charoensawan，Effect of inclination angles，filling ratios and total lengths on heat transfer character-istic of a closed-loop oscillation heat pipe[J]. 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