板式脈動熱管的實驗與應(yīng)用研究進展

焦波

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東 榮成 264300）

板式脈動熱管的實驗與應(yīng)用研究進展

焦波

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東 榮成 264300）

板式脈動熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適應(yīng)性好、傳熱性能極佳、易于微小型化等優(yōu)點，因此作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具競爭力，也吸引了眾多研究者的關(guān)注，但目前仍缺乏有效的設(shè)計準則指導工程應(yīng)用。本文在介紹了脈動熱管的工作原理及特點基礎(chǔ)上，綜述了近年來針對板式結(jié)構(gòu)所開展的研究，以水力直徑變化為主線總結(jié)了傳熱性能的研究，包括管內(nèi)流型和振蕩特征、主要參數(shù)的影響以及進一步提高傳熱性能的途徑；回顧了有關(guān)啟動特性的研究，涉及啟動條件、啟動過程時間與溫度的關(guān)系及相關(guān)理論分析；介紹了目前傳熱極限發(fā)生機理的分析，同時簡述了板式脈動熱管應(yīng)用方面的研究進展；最后指出了目前未能解決的關(guān)鍵問題，特別是為充分發(fā)揮板式結(jié)構(gòu)微小型化的優(yōu)勢，對影響啟動條件的參數(shù)研究至關(guān)重要。

板式脈動熱管；氣液兩相流；傳熱；傳質(zhì)；啟動；極限

脈動熱管（pulsating heat pipe，PHP），又稱振蕩熱管（oscillating heat pipe，OHP），是熱管家族中最新、最獨特的形式之一，1990年由日本學者Akachi[1]首次提出。它有兩種實現(xiàn)形式：一種是由封閉的毛細管彎曲成蛇形結(jié)構(gòu)的管式脈動熱管（tubular PHP）；另一種是在平板上加工閉合彎曲通道的板式脈動熱管（flat-plate PHP），如圖1所示。其工作原理是：當管徑足夠小時，在真空條件下封裝于管內(nèi)的工質(zhì)在表面張力的作用下將形成隨機分布、間隔布置的氣泡和液塞。在加熱段，氣泡或氣柱與管壁之間的液膜不斷蒸發(fā)，導致氣泡膨脹，推動氣液塞流向冷卻段，同時冷卻段氣泡冷凝收縮或破裂，從而在冷熱端之間形成較大的壓差。在此壓差和相鄰管內(nèi)的壓力不平衡的作用下，使工質(zhì)產(chǎn)生強烈的往復振蕩運動，實現(xiàn)高效的熱傳遞。小管徑和冷熱端反復彎折是形成振蕩流的基本條件。由于直徑小、無吸液芯、可隨意彎曲、在一定條件下冷熱端位置不受限制、氣液振蕩可傳遞顯熱并將熱量轉(zhuǎn)化為功，因此脈動熱管具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適應(yīng)性好、傳熱性能極佳等優(yōu)點，被視為目前解決小空間高熱流密度散熱問題一種極具前景的傳熱元件[2]。板式脈動熱管結(jié)構(gòu)特征更加易于小型化，因此作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具競爭力。

圖1 脈動熱管的結(jié)構(gòu)示意圖

脈動熱管的直徑在保證形成氣液塞的同時，也要滿足其能夠克服氣液塞阻力以形成循環(huán)流動的條件，因此直徑不能過小。對于水、甲醇、乙醇、R142b、丙酮等多種常用工質(zhì)，其范圍通常在1～5mm[2]?？梢钥闯?，雖然也被稱為熱管，脈動熱管和標準熱管的傳熱機理截然不同，其內(nèi)部流動屬于細小通道內(nèi)的氣液兩相流，沿管道工質(zhì)運動與沸騰、蒸發(fā)及冷凝傳熱傳質(zhì)過程有機互動，潛熱、顯熱傳遞互相配合，運動過程中工質(zhì)的壓力、溫度和速度均呈現(xiàn)振蕩，并帶有很大的隨機性和復雜性。

在對板式脈動熱管的研究中，各國學者一直致力于以小管徑、小外形尺寸實現(xiàn)其在不同角度上的運行，同時對傳熱、流動及振蕩特性進行分析。影響脈動熱管運行特性的參數(shù)較多，主要包括：管徑、截面形狀、工質(zhì)物性、熱流密度、彎頭數(shù)（number of turns，U形管路的數(shù)量）或稱通道數(shù)（number of channels，1個彎頭對應(yīng)2個通道）、充液率（工質(zhì)以液體形式存在時的體積與整個管路體積之比）、傾角（放置方向與水平方向的夾角，取值范圍為90°～-90°，分別對應(yīng)底加熱和頂加熱）等，并且這些參數(shù)之間相互影響，共同作用于管內(nèi)工質(zhì)的流動狀態(tài)與振蕩特性。

1 傳熱與流動特性

德國Khandekar等[3]的研究主要關(guān)注了截面形狀、工質(zhì)物性、充液率、加熱功率和傾角對傳熱和流動的影響。2002年他們在鋁板上（115mm× 36mm×3mm）分別加工出水力直徑為2mm的12個圓形和矩形通道、以水和乙醇為工質(zhì)進行了研究，其中圓形通道是通過分別加工在鋁板和聚碳酸酯（polycarbonate）上的兩個半圓形通道組合形成的。實驗發(fā)現(xiàn)，在脈動熱管運行中矩形截面的直角發(fā)揮了毛細結(jié)構(gòu)的作用，因此它具有更小的熱阻；以水為工質(zhì)時最佳充液率區(qū)間較大，該裝置未能在水平加熱時實現(xiàn)振蕩。2006—2009年，他們[4-6]在鋁板上（180mm×120mm×3mm）加工出2mm×2mm的40個正方形通道，如圖2所示，以乙醇為工質(zhì)、通過可視化實驗利用高速攝像機記錄管內(nèi)的流型變化，根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)了脈動熱管工作的4個區(qū)間，如圖3所示：①充液率小于20%時，僅能在底加熱時運行，無振蕩現(xiàn)象，管內(nèi)氣液逆向流動，每個通道類似于獨立的兩相熱虹吸管（模式1）；②充液率在20%～40%時，能夠在水平方向上運行，工質(zhì)可在不同通道內(nèi)流動，振蕩和重力的影響同時存在，管內(nèi)振蕩的氣液塞和逆向流動的氣液相并存（模式2）；③充液率在40%～70%時，可以實現(xiàn)頂加熱時的運行，自激振蕩的塞狀流為主要形式，真正實現(xiàn)“脈動熱管”的作用，此時具有最佳的傳熱性能，但隨著加熱功率的增加，循環(huán)作用會抑制振蕩作用（模式3）；④充液率大于70%時，能在底加熱和部分水平加熱工況下運行，振蕩作用被削弱或是消失了（模式4）。

2007年，美國的Borgmeyer等[7]的研究著重考察工質(zhì)物性和加熱功率對振蕩特性的影響，他們在銅板上（76.2mm×76.2mm×2.54mm）加工出1.5875mm× 1.5875mm的28個正方形通道（圖4），以水、乙醇、全氟化合物（flutec PP2）為工質(zhì)，在充液率為50%時的實驗結(jié)果表明，氣液塞振蕩的振幅和速度雖然隨著加熱功率的增加而增加，但振蕩運動表現(xiàn)出不規(guī)則特征；振蕩特性受工質(zhì)物性和角度的影響較大，以乙醇為工質(zhì)時振幅和速度達到最大，當以水為工質(zhì)時，水平加熱時未能實現(xiàn)振蕩。

圖2 脈動熱管的結(jié)構(gòu)（單位：mm）[5]

圖3 脈動熱管不同的運行形式[5]

圖4 脈動熱管裝置（單位：mm）[7]

2007年，中國科學院物理所曲偉等[8]把重點放在截面形狀和傾角對傳熱性能的影響上，他們在鋁板上（63mm×24.7mm×6.6mm）分別加工出水力直徑為1.5mm和1mm的8個正三角形和正方形通道，在對4個裝置的實驗研究中發(fā)現(xiàn)底加熱時三角形截面具有更低的熱阻，正方形截面能夠在水平方向上實現(xiàn)振蕩，水力直徑1.5mm的裝置傳熱性能較好。2009年，臺灣淡江大學Lin等[9]的研究側(cè)重在工質(zhì)物性對傳熱特性的影響上，他們在聚二甲硅氧烷上（polydimethylsiloxane，PDMS，70mm×65mm× 6mm）加工出內(nèi)徑為2mm的12個圓形通道（圖5），以甲醇和乙醇為工質(zhì)，在充液率為60%的實驗中發(fā)現(xiàn)：該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在水平方向上的振蕩并運行，甲醇可以達到較低的溫度和熱阻。

圖5 PDMS脈動熱管實驗裝置[9]

上海交通大學的屈健和吳慧英等[10-12]對微型脈動熱管進行了細致深入的研究。2010年，他們[10]以硅為基體（46mm×19mm×0.5mm）、采用梯形橫截面，分別加工出水力直徑為352μm的14個通道和394μm的10個通道的閉合回路，以FC-72為工質(zhì)首次實現(xiàn)了微型脈動熱管的運行，并對管內(nèi)的流型特征進行了觀測和分析。2012年，他們[11-12]進一步將水力直徑縮小到251μm，如圖6所示，以10個通道在整體尺寸為28.8mm×14.3mm×0.5mm的硅基上形成閉合回路，進一步以水、乙醇、FC-72和R113為工質(zhì)對以上3個尺寸的脈動熱管進行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)水和乙醇未能實現(xiàn)它們的運行，僅有R113能使水力直徑為251μm的脈動熱管實現(xiàn)振蕩并運行，不同工況時管內(nèi)氣液相呈現(xiàn)出泡狀流、塞狀流、環(huán)狀流/半環(huán)狀流的多種流動形式，傳熱與流動的基本特征類似于Khandekar等[5]所總結(jié)出的，但研究者將其分成3個工作區(qū)間，因此充液率的范圍也有一定差別，并且僅有水力直徑為394μm的脈動熱管可以在水平加熱時實現(xiàn)振蕩和運行，其他兩個微型裝置僅能在底加熱時運行。此外，在對三者的對比研究中還發(fā)現(xiàn)水力直徑為394μm的脈動熱管存在以下特征：①熱阻曲線隨加熱功率持續(xù)增加呈現(xiàn)雙V形，即存在兩個極小值，研究者認為這是由于微通道內(nèi)復雜多變的流型及不規(guī)則的振蕩特性所引起的；②在冷卻段觀察到噴射流型。這兩方面未在以往研究和其他兩個微型裝置中發(fā)現(xiàn)。同時，在其他兩個微型裝置中未觀測到核態(tài)沸騰和循環(huán)流動現(xiàn)象，膜態(tài)沸騰和氣泡膨脹成為此時振蕩的動力。

圖6 微型硅基脈動熱管[11]

圖7 三維脈動熱管結(jié)構(gòu)（單位：mm）[14-16]

2012年，韓國Kim等[13]在硅板上（50mm× 15.5mm×1.5mm）加工出水力直徑為0.57mm的10個矩形通道，以乙醇為工質(zhì)，在最佳充液率條件下對工質(zhì)振蕩頻率和振幅進行了研究。與Borgmeyer 等[7]的研究結(jié)論不同，他們發(fā)現(xiàn)了類似正弦曲線的規(guī)律性振蕩特征，該裝置能夠在水平加熱時實現(xiàn)振蕩和運行，他們還通過理論分析說明顯熱在熱量傳遞過程中起到主要作用。此外，2009—2011年，美國Thompson等[14-17]以提高板式脈動熱管的傳熱性能為目標，對兩種衍生形式進行了實驗研究：一種在鋁板兩面分別加工出相互平行或錯列分布的雙層非閉合通道，以增加單位面積的通道數(shù)，見圖7；另一種在閉合回路通道之間增加Tesla閥，以保證氣液塞形成確定方向的流動（圖8），通過對溫度和熱阻的分析證實了這兩種方式的有效性。

現(xiàn)有研究結(jié)果說明，隨著水力直徑的變化，脈動熱管的傳熱和運行特性絕非僅僅是尺寸的簡單放大或縮小。水力直徑縮小時，管內(nèi)流動阻力顯著增加，因此尺度效應(yīng)對板式脈動熱管至關(guān)重要。目前，在板式結(jié)構(gòu)的研究中，水力直徑通常在1～2mm和250～500μm范圍內(nèi)，研究結(jié)果大多適用于各自的實驗裝置，仍未能形成包括水力直徑等重要參數(shù)的設(shè)計準則，因此還需要大量的基礎(chǔ)工作。

圖8 帶Tesla閥的脈動熱管結(jié)構(gòu)（單位：mm）[17]

2 啟動特性

相關(guān)研究已經(jīng)表明，脈動熱管只有在實現(xiàn)氣液塞振蕩時才能高效運行，此外，啟動時間和溫度將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[2]，因此啟動特性也成為脈動熱管研究的熱點問題。啟動過程廣義是指從開始加熱到工質(zhì)出現(xiàn)脈動，直至氣液振蕩逐漸變得劇烈，但還沒有形成單向、穩(wěn)定循環(huán)流動的階段。啟動特性同樣受到傾角、充液率、彎頭數(shù)及熱流密度的綜合影響。目前，相關(guān)研究大多圍繞以下兩方面展開。一方面已經(jīng)證實當脈動熱管的彎頭數(shù)超過某一個臨界值時，裝置在適當?shù)某湟郝屎图訜峁β蕳l件下可以實現(xiàn)水平和頂加熱時的啟動和運行，同時傾角對傳熱和流動的影響將大大降低，因此脈動熱管的彎頭數(shù)大于臨界值是保證其在不同角度下實現(xiàn)啟動的基本條件。目前，不同研究者得出的臨界彎頭數(shù)差別較大，說明它隨結(jié)構(gòu)尺寸和工質(zhì)物性等參數(shù)的變化而不同。如日本Akachi等[18]發(fā)現(xiàn)彎頭數(shù)達到40時，他們所采用的管式脈動熱管可以在水平加熱時啟動并運行，當彎頭數(shù)達到80時可以在任何角度下啟動并運行。德國Khandekar等[19]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)徑為2mm的管式脈動熱管在水平加熱時實現(xiàn)啟動所需的彎頭數(shù)是16，而對內(nèi)徑為1mm的裝置該值僅為11；同時，他們[5]在以2mm×2mm的正方形為截面的板式結(jié)構(gòu)中，以20個彎頭數(shù)實現(xiàn)了頂加熱時的啟動和運行，但未對臨界值進行討論。在前面綜述的板式脈動熱管研究中，傾角的范圍通常在90°～0°，研究者報道了其裝置能夠在水平加熱時啟動和運行的條件，但都未對板式脈動熱管臨界彎頭數(shù)進行討論。

圖9 脈動熱管啟動過程中溫度與時間的關(guān)系[20]

另一方面是啟動過程的現(xiàn)象和機理問題，包括冷熱端溫度特征、管內(nèi)傳熱與流動及理論分析。在溫度隨時間的變化規(guī)律上，盡管不同研究者[20-23]的實驗裝置與工況有所不同，但對脈動熱管來說均觀察到了相似的兩種過程，如圖9所示：第一種啟動過程溫度先是無波動的單調(diào)增加，在啟動點瞬間顯著降低后進入穩(wěn)定運行階段[圖9(a)]；第二種是指溫度在無波動單調(diào)增加后，出現(xiàn)伴隨小范圍波動的增加過程，此時斜率略有降低，啟動過程中溫度無瞬間降低現(xiàn)象[圖9(b)]。然而在微小型脈動熱管的研究[11，13]中僅報道了類似于第一類啟動過程的現(xiàn)象。關(guān)于工質(zhì)的傳熱與流動現(xiàn)象，水力直徑大于1mm的脈動熱管啟動過程中發(fā)生核態(tài)沸騰在相關(guān)研究中已得到證實[24]，但在微型脈動熱管中并未觀察到，此時氣塞的生成不是依靠氣泡的聚合，而是由加熱段U形部分液塞的破裂而形成的[10]。

目前對啟動過程的理論分析有兩類。一類是研究者根據(jù)各自的可視化實驗現(xiàn)象進行合理的假設(shè)，從而建立數(shù)學模型，如2007年中國科學院曲偉等[25]在實驗中觀察到球形氣泡和Taylor氣泡，通過建模提出壁面粗糙度和氣泡形狀是決定產(chǎn)生氣泡所需過熱度的主要參數(shù)，分析得出壁面粗糙度值越大所需的過熱度越小，生成球形氣泡比Taylor氣泡所需的過熱度小，因此它們有助于脈動熱管的啟動。2009年，泰國Soponpongpipat等[26]通過實驗現(xiàn)象總結(jié)出當氣泡破裂多于氣泡膨脹時，脈動熱管能夠正常啟動，否則會出現(xiàn)局部干涸阻礙啟動過程，并根據(jù)此原則建立了數(shù)學模型預(yù)測啟動條件。另一類是利用其他模型來解釋啟動特性，如2009年，美國Yang 等[27]通過求解守恒方程獲得脈動熱管啟動過程中溫度、氣液塞位置及速度振蕩特性，能夠在特定工況下與其他研究者的實驗結(jié)果吻合；2013年，東南大學陳永平等[22]引入系統(tǒng)識別理論分析啟動過程，得到了工質(zhì)物性和充液率的影響，與他們的實驗數(shù)據(jù)保持了較好的一致性。

以上的研究結(jié)果說明，水力直徑的變化對脈動熱管啟動過程的傳熱和流動機理產(chǎn)生影響，進而使冷熱端溫度的變化呈現(xiàn)不同特征，臨界彎頭數(shù)是決定脈動熱管能否啟動的重要參數(shù)。然而，尚未有研究提出板式脈動熱管的臨界彎頭數(shù)，及其隨水力直徑改變時的特征。此外，關(guān)于啟動的理論分析才剛剛起步，研究者關(guān)注的重點和運用的方法各不相同，這也說明仍需要大量的基礎(chǔ)實驗去豐富，為理論的發(fā)展提供依據(jù)。

3 傳熱極限

盡管脈動熱管是一種高效的傳熱元件，但它的傳熱率受到一定的限制，這是影響系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性的另一個重要因素，因此研究其傳熱極限對實際應(yīng)用有重要的意義。傳熱極限通常定義為加熱段溫度可以保持穩(wěn)定的最大傳熱率，此時當傳熱率有微小增加量時，壁溫將急劇升高。相關(guān)研究已經(jīng)報道了脈動熱管的極限狀態(tài)，研究者普遍認為它是由于加熱段液膜干涸所引起的，通常發(fā)生在高熱流密度氣液相呈環(huán)狀流時，此時管內(nèi)振蕩作用削弱、循環(huán)作用增加[5，9，11]。目前，針對傳熱極限開展的研究[28-30]均采用了管式結(jié)構(gòu)，主要分析管徑、彎頭數(shù)、工質(zhì)物性、充液率及傾角等參數(shù)的影響，研究結(jié)果給出了各自實驗條件下使傳熱極限到達最大值的參數(shù)組合，也有研究者根據(jù)各自實驗數(shù)據(jù)擬合得到了預(yù)測傳熱極限的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[28，30]。

氣液兩相流換熱在眾多工程領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，環(huán)狀流時液膜干涸所引起的傳熱極限是研究的關(guān)鍵問題之一。目前，已經(jīng)建立起液膜干涸的數(shù)學模型，對環(huán)狀流氣液界面的沉積、攜帶和蒸發(fā)的質(zhì)量傳遞過程進行描述，本文作者對該領(lǐng)域的研究進展進行了總結(jié)[31]。環(huán)狀流模型在脈動熱管中的合理應(yīng)用可以推動其傳熱極限預(yù)測方法的發(fā)展。

4 應(yīng)用研究

圖10 應(yīng)用于LED冷卻系統(tǒng)的鋁板脈動熱管實驗裝置[39]

目前，有學者已經(jīng)對脈動熱管在余熱回收[32]、干燥[33]、太陽能集熱[34]、制冷空調(diào)[35]、混合動力汽車[36]等方面的應(yīng)用開展了研究，這些方面大多采用管式結(jié)構(gòu)，文獻[37]對此也進行了論述。由于板式脈動熱管的結(jié)構(gòu)特征，它的應(yīng)用研究主要集中在電子器件冷卻方面[38-40]，也有研究者將其作為超導磁體[41]和電磁發(fā)射器[42]的冷卻系統(tǒng)以及以陣列形式應(yīng)用于細胞冷凍[43]。Lin等[39]以丙酮為工質(zhì)，將不同尺寸的鋁板脈動熱管應(yīng)用于LED冷卻，在自然冷卻下可使散熱設(shè)計功率64W的LED溫度顯著下降，其裝置如圖10所示。Mito等[41]用具有雙層交錯式通道的板式結(jié)構(gòu)作為超導磁體的冷卻系統(tǒng)，以氫、氖、氮為工質(zhì)進行了實驗，在各自工作溫區(qū)的有效導熱系數(shù)分別達到了850W/(m·K)、2500W/(m·K)和3500W/(m·K)，其裝置如圖11所示。Thompson等[42]將圖7(b)所示的板式結(jié)構(gòu)用于冷卻電磁發(fā)射器，以水為工質(zhì)，在72%充液率和300W加工功率時，裝置具有15000W/(m·K)的有效導熱系數(shù)；他們依此推算在結(jié)合外部主動冷卻方式后，板式脈動熱管可以滿足系統(tǒng)約10kW的散熱需求。Han等[43]對具有共有冷凝段和蒸發(fā)段的板式脈動熱管在細胞冷凍方面的應(yīng)用進行了研究，結(jié)構(gòu)示意見圖12；他們在不同充液率（30%～70%）和加熱功率（80～180W）的條件下進行了實驗，結(jié)果表明在充液率45%和加熱功率120W時，系統(tǒng)具有最短的冷卻時間和穩(wěn)態(tài)冷卻溫度。

圖11 應(yīng)用于超導磁體冷卻的板式脈動熱管裝置[42]

圖12 應(yīng)用于細胞冷凍的板式脈動熱管結(jié)構(gòu)[43]

5 展 望

電子設(shè)備微小型化、集成化的快速發(fā)展，使傳統(tǒng)的冷卻方式已無法滿足其散熱要求。脈動熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好、傳熱能力極佳等特點，成為小空間高熱流密度極具前景的散熱元件，是近年來熱管技術(shù)研究的熱點。目前，對脈動熱管的關(guān)鍵問題及主要影響因素已經(jīng)有了較為清晰的認識，但由于其傳熱現(xiàn)象與機理極為復雜，因此還處于基礎(chǔ)研究階段，仍需要大量的研究去豐富，逐步量化主要參數(shù)對傳熱性能、啟動特性和傳熱極限的影響，進而形成有效的設(shè)計方法。板式脈動熱管由于結(jié)構(gòu)特征更加易于小型化，作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具競爭力，為此對它的研究還需要解決以下問題。

（1）進一步明確微小管徑內(nèi)傳熱、流動和振蕩特性，以及尺度效應(yīng)的影響，建立針對性強的設(shè)計準則。

（2）對影響啟動條件的臨界彎頭數(shù)進行深入研究，明確不同尺度下水平加熱和頂加熱的極限尺寸，指導微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。

可以預(yù)見，隨著對板式脈動熱管的理解不斷深入，它的應(yīng)用范圍將隨之擴大，并且在其他熱管無法實現(xiàn)冷卻的方面發(fā)揮重要的作用。

[1] Akachi H. Structure of a heat pipe：US，4921041[P]. 1991-08-15.

[2] Zhang Y W，F(xiàn)aghri A. Advances and unsolved issues in pulsating heat pipes[J].Heat Transfer Engineering，2008，29（1）：20-44.

[3] Khandekar S，Schneider M，Schafer P，et al. Thermofluid dynamic study of flat-plate closed-loop pulsating heat pipes[J].Microscale Thermophysical Engineering，2002，6（4）：303-317.

[4] Yang H H，Khandekar S，Groll M. Parametric influence on thermal performance of flat plate closed loop pulsating heat pipes[J].Journal of Donghua University，2006，23（3）：8-13.

[5] Yang H，Khandekar S，Groll M. Performance characteristics of pulsating heat pipes as integral thermal spreaders[J].International Journal of Thermal Sciences，2009，48（4）：815-824.

[6] Yang H H，Groll M，Khandekar S. Visual study on flow and operational characteristics of flat plate closed loop pulsating heat pipes[J].Journal of Donghua University：English Edition，2009，26 （1）：80-84.

[7] Borgmeyer B，Ma H B. Experimental investigation of oscillating motions in a flat plate pulsating heat pipe[J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer，2007，21（2）：405-409.

[8] 周巖，曲偉. 微小型脈動熱管的傳熱性能試驗研究[J].中國科學院研究生院學報，2007，15（3）：363-368.

[9] Lin Y H，Kang S W，Wu T Y. Fabrication of polydimethylsiloxane （PDMS） pulsating heat pipe[J].Applied Thermal Engineering，2009，29（2-3）：573-580.

[10] Qu J，Wu H Y. Flow visualization of silicon-based micro pulsating heat pipes[J].Science China-Technological Sciences，2010，53（4）：984-990.

[11] Qu J，Wu H Y，Cheng P. Start-up，heat transfer and flow characteristics of silicon-based micro pulsating heat pipes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（21-22）：6109-6120.

[12] Qu J，Wu H Y，Wang Q. Experimental investigation of silicon-based micro-pulsating heat pipe for cooling electronics[J].Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering，2012，16（1）：37-49.

[13] Youn Y J，Kim S J. Fabrication and evaluation of a slicon-based micro pulsating heat spreader[J].Sensors and Actuators，A：Physical，2012，174（1）：189-197.

[14] Thompson S M，Ma H B，Winholtz R A，et al. Experimental investigation of miniature three-dimensional flat-plate oscillating heat pipe[J].Journal of Heat Transfer：Transactions of the ASME，2009，131（4）：1-9.

[15] Cheng P，Thompson S，Boswell J，et al. An investigation of flat-plate oscillating heat pipes[J].Journal of Electronic Packaging，2010，132 （4）：1-6.

[16] Thompson S M，Cheng P，Ma H B. An experimental investigation of a three-dimensional flat-plate oscillating heat pipe with staggered microchannels[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（17-18）：3951-3959.

[17] Thompson S M，Ma H B，Wilson C. Investigation of a flat-plate oscillating heat pipe with Tesla-type check valves[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2011，35（7）：1265-1273.

[18] Akachi H，Polasek F，Stulc P. Pulsating Heat Pipes[C]// Proceeding of 5th International Heat Pipe Symposium. Melbourne：Pergamon Elsevier，1996：208-217.

[19] Charoensawan P，Khandekar S，Groll M，et al. Closed loop pulsating heat pipes—Part A：Parametric experimental investigations[J]. Applied Thermal Engineering，2003，23（16）：2009-2020.

[20] Xu J L，Zhang X M. Start-up and steady thermal oscillation of a pulsating heat pipe[J].Heat and Mass Transfer，2005，41（8）：685-694.

[21] Khandekar S，Gautam A P，Sharma P K. Multiple quasi-steady states in a closed loop pulsating heat pipe[J].International Journal of Thermal Sciences，2009，48（3）：535-546.

[22] Liu X，Chen Y，Shi M. Dynamic performance analysis on start-up of closed-loop pulsating heat pipes （CLPHPs）[J].International Journal of Thermal Sciences，2013，65：224-233.

[23] Hu C F，Jia L. Experimental study on the start up performance of flat plate pulsating heat pipe[J].Journal of Thermal Science，2011，20 （2）：150-154.

[24] Tong B Y，Wong T N，Ooi K T. Closed-loop pulsating heat pipe[J]. Applied Thermal Engineering，2001，21（18）：1845-1862.

[25] Qu W，Ma H B. Theoretical analysis of startup of a pulsating heat pipe[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2007，50 （11-12）：2309-2316.

[26] Soponpongpipat N，Sakulchangsatjaati P，Kammuang-Lue N，et al. Investigation of the startup condition of a closed-loop oscillating heat pipe[J].Heat Transfer Engineering，2009，30（8）：626-642.

[27] Yang X S，Luan T. Modelling of a pulsating heat pipe and startup asymptotics[J].Procedia Computer Science，2012，9：784-791.

[28] Katpradit T，Wongratanaphisan T，Terdtoon P，et al. Correlation to predict heat transfer characteristics of a closed end oscillating heat pipe at critical state[J].Applied Thermal Engineering，2005，25 （14-15）：2138-2151.

[29] Yang H H，Khandekar S，Groll M. Operational limit of closed loop pulsating heat pipes[J].Applied Thermal Engineering，2008，28（1）：49-59.

[30] Kammuang-Lue N，Sakulchangsatjatai P，Terdtoon P，et al. Correlation to predict the maximum heat flux of a vertical closed-loop pulsating heat pipe[J].Heat Transfer Engineering，2009，30（12）：961-972.

[31] Jiao B，Qiu L M，Lu J L，et al. Liquid film dryout model for predicting critical heat flux in annular two-phase flow[J].Journal of Zhejiang University：Science A，2009，10（3）：398-417.

[32] Meena P，Rittidech S，Poomsa-Ad N. Application of closed-loop oscillating heat-pipe with check valves （CLOHP/CV） air-preheater for reduced relative-humidity in drying systems[J].Applied Energy，2007，84（5）：553-564.

[33] Meena P，Rittidech S，Poomsa-Ad N. Closed-loop oscillating heat-pipe with check valves （CLOHP/CVs） air-preheater for reducing relative humidity in drying systems[J].Applied Energy，2007，84（4）：363-373.

[34] Arab M，Soltanieh M，Shafii M B. Experimental investigation of extra-long pulsating heat pipe application in solar water heaters[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2012，42：6-15.

[35] Supirattanakul P，Rittidech S，Bubphachot B. Application of a closed-loop oscillating heat pipe with check valves （CLOHP/CV）on performance enhancement in air conditioning system[J].Energy and Buildings，2011，43（7）：1531-1535.

[36] Burban G，Ayel V，Alexandre A，et al. Experimental investigation of a pulsating heat pipe for hybrid vehicle applications[J].Applied Thermal Engineering，2013，50（1）：94-103.

[37] 屈健. 脈動熱管技術(shù)研究及應(yīng)用進展[J].化工進展，2013，32（1）：33-41.

[38] Qu J，Wu H Y. Silicon-based micro pulsating heat pipe for cooling electronics[J].Mems，Nano and Smart Systems，Pts1-6，2012，403-408：4260-4265.

[39] Lin Z，Wang S，Huo J，et al. Heat transfer characteristics and LED heat sink application of aluminum plate oscillating heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering，2011，31（14-15）：2221-2229.

[40] 李志，賈力，魏文博. 基于板式脈動熱管的LED自然對流冷卻實驗研究[J].工程熱物理學報，2013，34（7）：1361-1364.

[41] Mito T，Natsume K，Yanagi N，et al. Enhancement of thermal properties of HTS magnets using built-in cryogenic oscillating heat pipes[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013，23 （3）：4602905.

[42] Thompson S M，Tessler B S，Ma H，et al. Ultrahigh thermal conductivity of three-dimensional flat-plate oscillating heat pipes for electromagnetic launcher cooling[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2013，41（5）：1326-1331.

[43] Han X，Ma H B，Jiao A J，et al. Investigations on the heat transport capability of a cryogenic oscillating heat pipe and its application in achieving ultra-fast cooling rates for cell vitrification cryopreservation[J].Cryobiology，2008，56（3）：195-203.

Advances in the experimental investigations and applications of flat-plate pulsating heat pipe

JIAO Bo
（Rongcheng College，Harbin University of Science and Technology，Rongcheng 264300，Shandong，China）

Because of its simple structure，low cost，good flexibility，excellent heat transfer performance，easy for microminiaturization，the flat-plate pulsating heat pipe （FP-PHP） is more competitive as cooling system for small devices. However，the effective design technique has not been developed for industry applications. This paper introduced the principle and characteristic of PHP，and reviewed the significant achievements on FP-PHP in recent years. The investigations on heat transfer performance were summarized based on hydraulic diameter，flow pattern and oscillating characteristic inside PHP，the effects of main parameters，and the ways to further improve the heat transfer performances. The studies on start-up characteristic were summarized，including start-up conditions，the relationship between temperature and time during start-up period，and the theoretical analysis. The available conclusions on the mechanism of heat transfer limit were given，and the advances in the applications of FP-PHP were described briefly. Finally，the key problems that have not been solved were discussed，especially the importance of the research on start-up conditions，in order to take the advantage of microminiaturization of FP-PHP.

flat-plate pulsating heat pipe；liquid-gas two phase flow；heat transfer；mass transfer；start-up；limit

TK 124

A

1000-6613（2014）09-2252-09

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.004

2014-02-22；修改稿日期：2014-04-07。

作者及聯(lián)系人：焦波（1981—），女，博士，副教授，從事氣液相流動與換熱、振蕩熱管及微通道換熱研究。E-mail jiaobo@hrbust.edu.cn。