平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的研究進展

熊康寧，吳偉，汪雙鳳

（1 華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640；2 華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640）

環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）是一種通過蒸發(fā)器內吸液芯產生的毛細力來驅動工作流體流動，利用工作流體的相變過程來傳遞熱量的高效傳熱裝置[1-2]。在1972 年俄羅斯的兩位科學家Gerasimov 和Maydanik 發(fā)明并制造了世界上帶一款環(huán)路熱管，該環(huán)路熱管長1.2m，工作液體為水，其傳熱量可以達到1kW[3]。環(huán)路熱管最早是應用于航空航天領域的熱控制當中，為了解決高功率航天器的散熱問題。由于環(huán)路熱管具有傳熱距離大、結構緊湊、散熱能力強、反重力強、熱平衡好、安裝和布局方便等優(yōu)點，現已廣泛地應用于電子冷卻[4-8]、電池熱管理[9-12]、高功率發(fā)光二極管[13-15]、余熱回收[16-17]、航空航天和軍事裝備[18-20]等領域中。

圖1(a)是環(huán)路熱管系統(tǒng)原理圖。從圖1(a)可以看出，環(huán)路熱管主要由蒸發(fā)器、汽體管線、冷凝器、液體管線、儲液室組成。其基本的工作原理是：具有多孔結構的吸液芯利用自身的毛細力吸收儲液室中的工質，使吸液芯的孔結構中充滿工質。當蒸發(fā)器壁面被加熱時，熱量會傳遞給吸液芯，吸液芯孔結構中的工質便會蒸發(fā)成飽和氣體，并通過蒸汽槽道進入汽體管線到達冷凝器，同時帶走熱量。而在冷凝器中，飽和氣體被冷凝成了液體，釋放出潛熱；冷凝的液體通過液體管線回流到儲液室，并再次被吸液芯吸收。如此形成了一個工質的循環(huán)流動和熱量傳遞過程[21]。圖1(b)是環(huán)路熱管運行過程的P-T圖。通過對其進行熱力學分析，可以更加深刻地了解環(huán)路熱管系統(tǒng)在運行過程中各個部分溫度和壓力的變化。由圖1(b)可以明顯看出，環(huán)路熱管的正常運行必須滿足壓力平衡條件，即吸液芯結構具有的毛細力必須大于等于環(huán)路熱管的總壓降損失。

圖1 環(huán)路熱管系統(tǒng)原理圖及運行過程的P-T圖

目前，國內外科研工作者對環(huán)路熱管的研究可以分為兩大類：實驗研究和數學模型研究。本文先根據蒸發(fā)器的形狀對環(huán)路熱管進行了分類，然后總結和分析了近五年國內外關于平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管在實驗和數學模型方面的研究進展情況，同時結合自身的研究工作提出了平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管未來的發(fā)展趨勢。

1 環(huán)路熱管的分類

環(huán)路熱管的分類依據有很多種，可以根據其設計、大小、蒸發(fā)器的形狀、蒸發(fā)器的設計、冷凝器的設計、蒸發(fā)器和冷凝器的數量、溫度范圍、操作溫度的可控性進行劃分[22]。本文根據蒸發(fā)器的形狀，將環(huán)路熱管分為圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管和平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管（如圖2）。圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的優(yōu)點是當熱源與蒸發(fā)部位充分接觸時，蒸發(fā)部位受熱均勻，另外過冷液體與吸液芯的接觸面較大，吸液芯能夠得到充分的潤濕。但用圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管進行散熱時，需要在蒸發(fā)器的外部安裝馬鞍形導熱塊，這增大了環(huán)路熱管的尺寸。在一些散熱空間比較狹窄的情況下，圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管是不容易實現的。因此，科研工作者對其蒸發(fā)器結構進行了改進，設計出了平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管。從圖2 可以看出，與傳統(tǒng)圓柱形環(huán)路熱管相比，相同大小的平板形環(huán)路熱管可以增大與發(fā)熱器件的接觸面積，吸液芯受熱更均勻，能夠更好發(fā)揮環(huán)路熱管的傳熱能力；平板形蒸發(fā)器的溫度梯度和工質流動的速度梯度夾角較小，從場協(xié)同角度看，平板形環(huán)路熱管比傳統(tǒng)圓柱形環(huán)路熱管更有優(yōu)勢，尤其在高熱流密度電子器件散熱領域，平板形環(huán)路熱管有著更大的潛力[21]。近年來，隨著大功率半導體電子器件的迅速發(fā)展，平板形環(huán)路熱管的優(yōu)勢逐漸顯現出來。國內外科研工作者對平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的研究越來越多[23-29]。下文將對平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的實驗和數學模型研究進行詳細的綜述。

圖2 環(huán)路熱管蒸發(fā)器

2 平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管

目前，國內外的科研工作者對平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的傳熱性能進行了大量的實驗研究[23-29]。其研究主要涉及吸液芯結構設計、工質選擇、蒸發(fā)器優(yōu)化等。本文將從這三個方面詳細的綜述平板形環(huán)路熱管的實驗研究情況。

2.1 吸液芯結構設計

環(huán)路熱管蒸發(fā)器中的吸液芯結構是整個系統(tǒng)循環(huán)的重要動力來源及核心組成部分，是環(huán)路熱管快速啟動和穩(wěn)定運行的關鍵。通常來說，高性能的吸液芯結構必須具有強的毛細力、高的滲透率、較低的熱導率和較高的機械強度等優(yōu)點[30]。為了尋求高性能的吸液芯，國內外科研工作者已經做了大量的努力。根據吸液芯的不同結構類型可將其分為燒結粉末吸液芯、燒結纖維吸液芯、金屬絲網吸液芯、金屬泡沫吸液芯、復合吸液芯和新型吸液芯。以下對這幾種吸液芯結構的研究進行詳細的綜述。

2.1.1 燒結粉末吸液芯

燒結粉末吸液芯主要包括燒結金屬粉末吸液芯和燒結非金屬粉末吸液芯。相比于燒結非金屬粉末吸液芯，燒結金屬粉末吸液芯具有毛細力大、機械強度高、耐熱性能好等優(yōu)點[31-32]，是環(huán)路熱管中最常用的吸液芯類型。Chernysheva等[33]用銅粉燒結出有效孔隙半徑為27μm、孔隙率為46%的吸液芯，用于銅-水平板形環(huán)路熱管。該環(huán)路熱管的有效長度為400mm，最大熱負荷為600W，最小熱阻為0.02℃/W。Xu等[34]制備一種吸液芯為燒結銅粉的扁平蒸發(fā)器（直徑56mm，總厚度30mm）銅-水環(huán)路熱管。在充液量為10.0mL 時，該環(huán)路熱管可以在不超過250s 的時間范圍內穩(wěn)定啟動，在蒸發(fā)器壁溫不超過90℃時，其最大熱負荷可以達到120W。目前，對于燒結粉末吸液芯來說，雖然具有較大的毛細力，但吸液芯的孔隙率較小，滲透率比較低。當在高的熱流密度下，熱管容易出現“燒干”現象。為了獲得具有較高毛細力和滲透率的吸液芯，一些科研工作者會在燒結的粉末中加入造孔劑。Zhang 等[35]用鎳粉制備了雙孔隙吸液芯，如圖3 所示。將雙孔隙燒結鎳粉吸液芯用于不銹鋼-氨平板形環(huán)路熱管中。在控制加熱面的溫度低于70℃時，該環(huán)路熱管的最大熱負荷范圍為180W，蒸發(fā)器的最小熱阻為0.096℃/W。

圖3 雙孔隙燒結鎳粉吸液芯

2.1.2 燒結纖維吸液芯

燒結纖維吸液芯是以纖維為原料燒結成形的一種多孔結構吸液芯，具有機械強度高、孔隙率和滲透率高等優(yōu)點，但吸液芯的毛細力不高，熱阻較大[32]。Odagiri 等[36]以不銹鋼纖維為原料制備出燒結不銹鋼纖維吸液芯并將其用于環(huán)路熱管中，其吸液芯上開有84條寬度為0.3mm的蒸汽槽道（如圖4）。測試結果表明：環(huán)路熱管的最大傳熱量可以達到280W，最低熱阻為0.064℃/W。由于碳纖維具有抗機械損壞能力強，與蒸發(fā)器匹配良好等優(yōu)點，一些科研工作者將其作為平板形環(huán)路熱管的吸液芯，并對此做了相應的研究。Liu 等[37]對碳纖維表面進行鍍銅改性，使其成為一種具有優(yōu)異毛細力的親水性材料。圖5是碳纖維鍍銅改性后的微觀形貌極其潤濕性測試。從圖中可以發(fā)現，改性后的碳纖維具有很強的親水性。同時，銅鍍層增加了其表面導熱性，有利于蒸發(fā)器內工質的加熱。然后研究了薄聚丙烯腈基碳纖維氈為多孔吸液芯結構的平板形環(huán)路熱管的工作特性。結果表明，采用改性的碳纖維氈作為吸液芯的平板形環(huán)路熱管可以成功啟動，并在15～75W 范圍內保持穩(wěn)定的運行。該環(huán)路熱管的總熱阻范圍為0.45～1.1℃/W。此外，劉飛龍[38]利用析晶沉淀法來控制碳纖維吸液芯的孔隙率和孔隙結構，從而改善了碳纖維吸液芯的毛細力，并提供了一種復合孔隙結構碳纖維吸液芯的制備方法，進一步提高了碳纖維吸液芯的整體性能和應用潛質。

圖4 燒結不銹鋼纖維

圖5 碳纖維鍍銅改性

2.1.3 金屬絲網吸液芯

金屬絲網吸液芯是將一定目數和層數的金屬絲網通過固相燒結或點焊技術將其固定在蒸發(fā)器的內部所形成的一種吸液芯。吸液芯具有結構簡單、價格低廉、加工方便、孔隙率高等優(yōu)點，其缺點主要是毛細力低、層間熱阻較大[32,39]。Zhou等[40-41]制備了一種蒸發(fā)器厚度僅有1.2mm的超薄平板環(huán)路熱管，其吸液芯由10層500目的銅絲網燒結而成，其結構圖如圖6所示，吸液芯厚0.8mm，孔隙率為65.2%，其吸液芯上刻有10條寬度為1mm的蒸汽槽道。在自然對流條件下，此環(huán)路熱管的有效散熱量為12W，在強制風冷的條件下，此環(huán)路熱管的最大散熱量為25W，最低熱阻為2℃/W。Zhou等[42]用多層400目銅網制備出總厚度為3mm，孔隙率為67.6%的絲網吸液芯，并將其用于平板形蒸發(fā)器銅-水環(huán)路熱管。該環(huán)路熱管可以有效移除的最大熱負荷為550W。

圖6 吸液芯結構圖

2.1.4 金屬泡沫吸液芯

由于金屬泡沫加工技術成熟并已工業(yè)化，且具有孔隙率高、流動阻力小等優(yōu)點，一些科研工作者將其用作環(huán)路熱管的吸液芯結構。柳洋[43]采用壓制金屬泡沫鎳制備吸液芯結構，并將其應用于一款蒸發(fā)器厚度為10mm的小型平板環(huán)路熱管中。該環(huán)路熱管在3.25W/cm2的熱流密度下，金屬泡沫鎳吸液芯環(huán)路熱管能夠正常啟動及運行，加熱面壁溫為118℃，環(huán)路熱管整體熱阻為4.83℃/W。Zhou 等[44]設計并制備了一種以多層金屬泡沫為吸液芯結構的平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管。以乙醇為工質，研究了銅、鎳兩種不同材質的金屬泡沫吸液芯對環(huán)路熱管換熱性能的影響。測試結果表明，與多層鎳泡沫吸液芯相比，多層銅泡沫吸液芯具有較高的熱導率和更小的孔徑，在不同的熱負荷下多層銅泡沫吸液芯結構的平板形環(huán)路熱管表現出更好的性能。

2.1.5 復合吸液芯

前四種吸液芯結構各有特點，燒結纖維、金屬絲網和金屬泡沫吸液芯具有高孔隙率、高滲透率等特點，但這三種吸液芯的毛細力不高，熱阻較大；燒結粉末吸液芯具有大的毛細力，但其滲透率較低。當在高熱流密度下，有可能出現“燒干”現象。這種單一結構的吸液芯各有特點，為了獲得性能優(yōu)異的吸液芯結構，一些科研工作者提出復合吸液芯，將兩種或兩種以上的單一結構吸液芯充分組合起來，從而獲得高性能的吸液芯結構[45]。Ling等[46]采用低溫固相燒結技術制備了單層和復合層的新型多孔銅纖維燒結片（PCFSS）。隨后，以PCFSS為吸液芯結構制備了一種新型平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管。與單孔PCFSS相比，復合PCFSS吸液芯結構環(huán)路熱管的蒸發(fā)器壁溫和熱阻較低，其啟動時間略有減少。復合孔隙率（70%+60%）的PCFSS 可獲得最低的蒸發(fā)器壁溫和最低的熱阻?？刂普舭l(fā)器溫度保持低于100℃時，環(huán)路熱管可以承受的最大熱負荷為200W，熱阻為0.047℃/W。Maydanik 等[47]制備了一種由雙孔鎳吸液主芯和低導熱率的多孔副芯組成的復合吸液芯，并將吸液芯用于一種直徑為40mm、厚度為18mm的平板盤形蒸發(fā)器環(huán)路熱管。在水平方向上，該環(huán)路熱管的最大熱負荷可達到300W。田巍[48]在鎳雙孔燒結吸液芯燒結工藝的基礎上提出了一種混合了金屬絲網的超薄吸液芯的制作方法，成功制備了厚度僅為0.5mm左右的超薄吸液芯樣品。該混合金屬絲網的超薄吸液芯與常規(guī)厚度的燒結鎳粉吸液芯的性能相近。但該復合吸液芯僅處于制備和性能研究階段，還未用于環(huán)路熱管中，對該吸液芯結構環(huán)路熱管的性能有待進一步完善，這樣才能更加準確客觀地評估吸液芯的性能。Xu 等[49]提出了一種既能有效蒸發(fā)又具有高滲透性的雙層復合銅芯，以消除高熱負荷下吸液芯中的蒸汽陷阱?？拷鼉σ菏业妮斔蛯拥暮穸葹?mm，面向蒸發(fā)區(qū)的蒸發(fā)層的厚度為3mm。經過優(yōu)化的復合吸液芯，其粒徑范圍96～180μm 和48～96μm 分別是吸液芯中液體運輸層和蒸發(fā)層的理想選擇。該優(yōu)化復合吸液芯的環(huán)路熱管最大熱負荷可以達到140W，其熱阻僅為0.143℃/W。胡卓煥等[50]制備了一種總厚度為5mm 的復合雙層吸液芯，該雙層吸液芯是由不同顆粒直徑的銅粉制成，大粒徑（180～280μm） 銅層厚度為3mm，小粒徑（56～71μm）銅層厚度為2mm 時環(huán)路熱管的性能最優(yōu)。此吸液芯結構的環(huán)路熱管最大加熱功率可達120W，對應的熱阻為0.17℃/W。

2.1.6 新型吸液芯

近年來，一些科研工作者在尋找高性能的新型吸液芯方面做了大量的努力。Solomon 等[51]提出了一種基于生物碳的天然吸液芯結構，并將其用于平板形環(huán)路熱管。吸液芯結構的碳材料是通過將Karuvelam 木材炭化而制得，具有強吸水能力和耐高溫的能力，見圖7。此環(huán)路熱管蒸發(fā)器和冷凝器之間的溫差較小，最大熱負荷為250W，最低熱阻為0.17℃/W。此研究中的生物炭天然吸液芯結構耐久性不高，較為復雜的吸液芯結構制備工藝難以實現，且工業(yè)化程度不高。Phan等[52]對親水性聚四氟乙烯（PTFE）多孔膜制成吸液芯的平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管進行了實驗研究，吸液芯的孔徑較小，但孔隙率和滲透率較高。該環(huán)路熱管可在高達1000W 的熱負荷下穩(wěn)態(tài)運行，最小熱阻為0.052℃/W。

圖7 木炭吸液芯

2.2 工質選擇

工質的熱物理性質和充液率/量對環(huán)路熱管的熱性能有著重要的影響，科研工作者們的研究熱點主要在新型工質的開發(fā)和充液率優(yōu)化等方面。不同工質的熱物理性質各不相同，對環(huán)路熱管傳熱性能的影響也不一致，如沸點、比熱容、汽化潛熱、黏度、密度、飽和狀態(tài)下壓力隨溫度變化等。這些熱物理性質直接影響著環(huán)路熱管的運行狀況與傳熱性能。工質的選擇不僅考慮到熱管的工作溫度和高效的傳熱性能外，還要考慮到工質與管壁、吸液芯的兼容性。目前，常用的工質有蒸餾水/去離子水、氨、甲醇、乙醇、丙酮等。表1總結了這幾種常用的工質在平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管中的應用情況。從表1中可以看出，在常見的工質中，蒸餾水/去離子水的應用范圍最廣，這是由于蒸餾水/去離子水具有傳輸熱量高、無毒、價廉易得等優(yōu)點。此外，一些科研工作者對不同工質在平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管中的性能差異進行了對比。

表1 常見的工質在平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管中的應用

劉志春等[54]研究了甲醇和丙酮為工質時對不銹鋼絲網吸液芯平板形環(huán)路熱管運行特性的影響。在相同工況條件下，以丙酮為工質的平板形環(huán)路熱管溫度波動較小，系統(tǒng)啟動較快且蒸發(fā)器壁面溫度較低，但其極限傳熱能力低于甲醇。蔣昊森[53]研究了乙醇、丙酮和乙醇丙酮體積比1∶1 的混合物為工質時對碳纖維氈吸液芯平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管工作性能的影響。測試結果表明，乙醇工質的溫度波動最劇烈，從30～160W的功率變化中連續(xù)出現了溫度波動。丙酮工質在大功率下，溫度波動更加明顯，其周期更長，在功率降低階段溫度波動減弱。而混合工質在整個功率變化過程中都表現出良好的穩(wěn)定性，相較于純乙醇和純丙酮工質，混合工質明顯改善了乙醇工質環(huán)路熱管的溫度穩(wěn)定性，也增加了丙酮工質的功率極限。Tharayil 等[55]實驗分析了不同濃度石墨烯-水納米流體（體積分數0.003%，0.006%和0.009%）的微型平板環(huán)路熱管的傳熱性能。與蒸餾水相比，納米流體改善了微型平板環(huán)路熱管的熱性能，并降低了蒸發(fā)器表面溫度。最佳的石墨烯-水納米流體體積分數為0.006%，在最佳濃度下，輸入功率380W時，環(huán)路熱管的最低熱阻為0.083℃/W，比蒸餾水的低21.6%。其蒸發(fā)器的壁溫也低了10.3℃。Anand 等[56]研究了丙酮、甲醇、正戊烷和乙醇四種工質對平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管性能的影響。在這四種工質中，正戊烷環(huán)路熱管的運行溫度最低，而甲醇環(huán)路熱管的熱負荷范圍最寬。

充液率/量太低或太高均不利于環(huán)路熱管的高效工作。其原因為當充液率/量過低時，環(huán)路熱管難以正常啟動并發(fā)揮相變換熱的能力，其換熱效果不高；當充液率/量過高時，環(huán)路熱管內部工質所占內腔體積太大，導致汽化的蒸汽所占體積很小，系統(tǒng)運行的阻力很大，因而也不利于環(huán)路熱管的換熱。因此，理想充液率/量的探究也是一項非常重要的工作。Zhou等[44]以乙醇為工質，研究了三種充液量（20mL、40mL、60mL）對環(huán)路熱管啟動和運行性能的影響。與20mL 和60mL 相比，充液量為40mL 的環(huán)路熱管的啟動時間最短，性能最佳。張偉龍等[57]研究了不同熱流密度下充液率對平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管運行特性的影響。研究表明，乙醇的充液率為55%時，蒸發(fā)器的壁溫和環(huán)路熱管的熱阻達到了最低值，此時系統(tǒng)的傳熱能力達到最強。趙同樂等[58]在輸入熱功率分別為20W 和140W、熱沉溫度為30℃的情況下，研究了工質不同充液量（10～80mL）對環(huán)路熱管平板蒸發(fā)器表面溫度的影響。測試結果表明，該平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管工質的最佳充液量為60mL，最小熱阻分別為1.1℃/W和0.28℃/W。Tharayil 等[59]以蒸餾水為工質，在20～380W 的熱負荷范圍內，研究了充液率為20%、30%和50%時對平板蒸發(fā)器微型環(huán)路熱管性能的影響。測試結果表明，充液率對微型環(huán)路熱管的傳熱性能有顯著影響。該環(huán)路熱管的最佳填充率為30%。在測試熱負荷范圍內，三種充液率的熱阻值在1.15℃/W和0.106℃/W之間變化。

2.3 蒸發(fā)器優(yōu)化

吸液芯結構設計和工質選擇是影響環(huán)路熱管性能的重要因素，科研工作者在這方面已經做了大量研究，前兩部分已經作了詳細的綜述。近年來，部分科研工作者對蒸發(fā)器展開了研究，研究發(fā)現蒸發(fā)器優(yōu)化對提高環(huán)路熱管的熱性能也有重要的意義。Jung 等[60-61]提出了一種具有旁路管線的平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管。該環(huán)路熱管蒸發(fā)器的蒸汽通道和儲液室之間安裝有旁路管線，通過改變旁路管線上的閥門開關，從而改變環(huán)路熱管的熱性能。在中低熱負荷下，旁路管線閥門打開情況下環(huán)路熱管的熱性能要劣于閥門關閉的情況。這是因為在閥門打開的情況下，蒸汽管線的蒸汽進入儲液室中，從而導致了蒸發(fā)器的壁溫升高，這種情況類似于增加了熱泄露，導致環(huán)路熱管性能的降低。在高熱負荷下，旁路管線閥門打開情況下環(huán)路熱管的熱性能要優(yōu)于閥門關閉的情況。這是因為在高熱負荷下，吸液芯中的工質來不及補充，將有燒干的趨勢，當旁路閥門打開，蒸汽進入儲液室中，對儲液室中的工質有推動作用，吸液芯中的工質能得到及時的補充，從而使蒸發(fā)器的壁溫降低。從研究結果中也更加清楚的了解到，在中低熱負荷下，環(huán)路熱管蒸發(fā)器的熱泄露對其性能有著很大的影響；在高熱負荷下，吸液芯的補液程度是影響環(huán)路熱管性能的最重要的因素。為了減少蒸發(fā)器側壁的熱泄漏，He 等[62]提出了一種采用復合材料的蒸發(fā)器結構。蒸發(fā)器由紫銅（受熱面）和316L不銹鋼（上半部分）兩種材料組成，并在受熱面設有加強肋，以提高蒸發(fā)器強度。與相同蒸發(fā)器結構、材質為銅的環(huán)路熱管相比，在相同熱負荷下，復合材料蒸發(fā)器的出口與儲液室之間的溫差較小，說明復合材料蒸發(fā)器側壁可以有效地減少熱泄露。環(huán)路熱管蒸發(fā)器的熱泄露主要來自于吸液芯和蒸發(fā)器的側壁，不銹鋼的熱導率遠低于紫銅。因此，不銹鋼側壁的使用對減少熱泄露是有效的。Krishnan 等[63]在蒸發(fā)器加熱內表面制備銅納米線涂層，并研究了涂層對微型平板環(huán)路熱管性能的影響。研究發(fā)現，與沒有任何銅納米線涂層的蒸發(fā)器加熱內表面相比，有納米線涂覆的內表面，其環(huán)路熱管的傳熱系數值增加了近2.7 倍，而熱阻值減少了約三分之一。這主要是因為納米線涂層可以改善氣泡成核，提高毛細力，降低熱阻。Tharayil等[64]使用物理氣相沉積法在蒸發(fā)器內表面上分別涂覆出厚度為100nm、200nm、300nm，400nm 和500nm 的納米顆粒涂層。研究在20～380W 的熱負荷下納米顆粒涂層對微型平板環(huán)路熱管性能的影響。測試結果表明，與沒有涂層的蒸發(fā)器內表面相比，當蒸發(fā)器納米涂層厚度分別為100nm、200nm、300nm 和400nm 時，其熱阻平均降低了6.7%、11.9%、17.2%和22.6%，同時蒸發(fā)器的傳熱系數分別提高了47%、63.5%、73.5%和86%。He 等[65]提出了一種新型蒸發(fā)器結構，在受熱面一側設有加強型肋板，減小平面的變形特性。研究結果表明，該環(huán)路熱管在一定的運行條件下具有良好的性能，特別是在熱負荷變化時，加熱塊表面溫度均勻性良好。Tharayil 等[55]為了增加傳熱面積，在蒸發(fā)器的內部設有四個肋片，在肋片的表面布有金屬絲網。蒸發(fā)器的結構如圖8 所示。研究結果發(fā)現，該環(huán)路熱管的最大熱負荷可以達到380W，最小熱阻為0.083℃/W。

圖8 蒸發(fā)器結構

3 平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的理論模型

環(huán)路熱管理論模型研究的目的是更好地理解其運行機制，探究其熱性能，為環(huán)路熱管的設計獲取數據。由于環(huán)路熱管內部傳熱傳質的復雜性，其理論模型研究遠遠落后于實驗研究。由于平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管是由圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管發(fā)展而來，其基本原理并沒有改變，因此，平板形環(huán)路熱管理論研究的方法也保持不變，其理論模型研究也類似。目前，平板形環(huán)路熱管的理論模型研究主要集中于蒸發(fā)器的模型研究和整個環(huán)路熱管系統(tǒng)的模型研究。

3.1 蒸發(fā)器的模型

蒸發(fā)器是環(huán)路熱管中結構最復雜和功能最重要的組件，一般由吸液芯、儲液室、蒸汽槽道、蒸汽出口、回流液入口、蒸發(fā)器壁等組成。吸液芯是蒸發(fā)器中最重要的組件，其工作過程包括：工質在多孔介質中的流動、相變換熱以及熱量傳遞等多種物理現象的耦合作用。因此，環(huán)路熱管蒸發(fā)器的理論研究主要集中于工質的流動特性和其熱傳遞特性。Chernysheva等[66]對全濕吸液芯和工作流體充滿儲液室的環(huán)路熱管平板盤式蒸發(fā)器建立兩種傳熱模型。這兩種傳熱模型是一維的穩(wěn)態(tài)模型，第一種考慮了工質通過吸液芯時傳熱的對流分量，第二種忽略了對流分量。這兩種模型的研究對象是銅外殼-銅芯蒸發(fā)器和不銹鋼外殼-鎳芯蒸發(fā)器。通過數值模擬發(fā)現，吸液芯和蒸發(fā)器外殼的熱導率越高，其溫度場的差異就越小。溫差隨蒸發(fā)器厚度的變化而變化。在接近吸液芯的吸收表面時達到最高值。對銅蒸發(fā)器而言，當熱流密度由2.8×104W/m2增至4.2×105W/m2時，其溫差最大值由0.001℃增至0.144℃；對于不銹鋼外殼-鎳芯蒸發(fā)器，溫差從0.006℃增至1.98℃。此外，研究還發(fā)現蒸發(fā)器的傳熱主要是在吸液芯結構上實現的。由于工質通過吸液芯的流量很小，對流分量的貢獻很小，在低熱流密度下或高導熱材料蒸發(fā)器中，對流分量的貢獻可能被忽略。在此模型研究基礎上，Chernysheva等[67]研究了不同工質對環(huán)路熱管平板盤式蒸發(fā)器中溫度分布的影響。主要對6 種工質進行了計算，即水、甲醇、氨、丙酮、R141b 和R152a。蒸發(fā)器輸入的熱流密度范圍為2.83×104～4.24×105W/m2。佩克萊數Pe在0～3.73的范圍內變化。模擬結果表明，當Pe高達0.73時，對流成分對蒸發(fā)器中總傳熱的貢獻微不足道。在研究的工質中，甲醇的冷卻效果最小，R152a 最大。Fukushima 等[68]提出了一種新型的平板形蒸發(fā)器結構，并對該結構的平板環(huán)路熱管進行了實驗和模型研究。其環(huán)路熱管模型是基于能量守恒和動量守恒的一維穩(wěn)態(tài)模型，同時對蒸發(fā)器建立三維模型，以便更加清楚地描述環(huán)路熱管蒸發(fā)器中的溫度分布。模擬結果表明：蒸發(fā)器三維分析模型的建立可以更加清楚地了解蒸發(fā)器內的溫度分布和熱平衡。此外，將實驗值與模型計算值進行比較，結果發(fā)現儲液室溫度的差異小于8.4℃，表明該模型可以預測該環(huán)路熱管的性能。Shioga 等[69]設計了一種蒸發(fā)器厚度僅有0.6mm的超薄環(huán)路熱管，其吸液芯是由4層蝕刻的薄銅片擴散結合而成，并對環(huán)路熱管蒸發(fā)器建立與Fukushima 等[68]類似的三維的熱傳導模型。蒸發(fā)器中各層銅薄片的溫度如圖9所示。從圖9中可以明顯看出，蒸發(fā)器中各層銅薄片的溫度差在1～2K范圍內。其熱泄漏與熱輸入的比值為10%或更少。通過這些計算，可以確定在穩(wěn)定運行時蒸發(fā)器中的熱量分布以及蒸發(fā)器到液體管線的熱泄漏量。Li等[70]采用先進的相變格子玻爾茲曼方法，對平板形環(huán)路熱管蒸發(fā)器多孔芯在孔隙尺度下的蒸發(fā)傳熱進行了數值模擬，研究了熱流密度和表面潤濕性對蒸發(fā)器汽液界面的形態(tài)和動力學、液相體積分數、吸液芯-肋部和吸液芯-溝槽界面溫度分布、蒸發(fā)器有效傳熱系數的影響。結果表明，隨著熱流密度的增加，汽液界面將呈現5種不同的模式或動態(tài)變化。一般來說，熱流密度越大，接觸角越大，吸液芯內的穩(wěn)態(tài)液體體積分數越小。而在一定的熱流密度范圍內，液體體積分數呈周期性振蕩，其振幅和周期隨熱流密度和接觸角的增大而增大。由于多孔芯的孔徑分布是隨機的，左右出口的溫度分布不對稱。這種差異在部分飽和的吸液芯中尤為顯著，說明局部孔隙結構對蒸發(fā)特性的影響顯著。隨著熱流密度的增加，有效傳熱系數先因氣泡在吸液芯內的形成和發(fā)展而增大，然后又因干裂的發(fā)生和擴大而減小。接觸角越大，觸發(fā)氣泡成核的熱流越小，從而越早達到最大有效傳熱系數。然而，本文研究的接觸角對有效傳熱系數的最大值沒有明顯的影響。

圖9 蒸發(fā)器中各層銅片的溫度分布

3.2 平板形環(huán)路熱管系統(tǒng)的模型

環(huán)路熱管相比于其他傳熱器件具有傳輸距離遠、散熱能力強、反重力強等顯著優(yōu)點，但環(huán)路熱管設計、加工制造、運行特性更加的復雜。因此，環(huán)路熱管系統(tǒng)的模型研究是十分必要，可以指導環(huán)路熱管的設計，了解環(huán)路熱管的工作及熱傳遞特性。Zhou等[40]在Chernysheva等[66]的基礎上建立了一種基于能量守恒、動量守恒和熱力學關系的穩(wěn)態(tài)分析模型，用于評估一款新型平板形環(huán)路熱管的性能。研究結果發(fā)現，該穩(wěn)態(tài)模型的計算結果與實驗結果之間誤差很小，所建立的模型可用于評價該新型環(huán)路熱管的性能，為同類產品的進一步研究提供了幫助。Zhu 等[71]提出一種新型的平板形銅-水環(huán)路熱管，該環(huán)路熱管的儲液室與蒸汽管線之間通過一個帶有控制閥門的旁路管線連接，且蒸汽輸出部位的管線成噴射器形狀。然后建立基于環(huán)路熱管動量守恒、熱力學關系，噴射器出口建立質量、動量和能量守恒關系，蒸發(fā)器、儲液室和冷凝器建立能量守恒的穩(wěn)態(tài)模型。根據建立的數學模型，對該環(huán)路熱管的穩(wěn)態(tài)性能進行了模擬，并與傳統(tǒng)的平板形環(huán)路熱管進行了比較。模擬結果表明，在相同的熱負荷條件下，該環(huán)路熱管的工作溫度低于傳統(tǒng)的平板形環(huán)路熱管。由于該環(huán)路熱管冷凝器不需要工質過冷區(qū)，在一定工況下，管式冷凝器的總長度也比傳統(tǒng)的平板形環(huán)路熱管減少24.4%～34.8%。目前，該研究僅為單純的模型研究，為了驗證模型模擬的可靠性，還應該對該環(huán)路熱管的特性進行進一步的實驗研究。Meng 等[72]設計了一種用于數據中心散熱的新型環(huán)形熱管，并根據各個部件的能量、動量和熱力學平衡建立了一維穩(wěn)態(tài)數學模型，并通過與實驗數據的比較驗證了仿真結果。該數學模型可用于預測每個特征點的工作溫度，其相對誤差小于13%。此外，該數學模型對環(huán)路熱管的參數進行了研究，包括材料、管線直徑、管線長度和吸液芯孔隙率的影響，為新型環(huán)路熱管的實驗設計提供了有力的依據。Du 等[73]設計并制造了一種不帶儲液室的平板形環(huán)路熱管，同時在液體管線上配有吸液芯，以增強熱管的啟動和穩(wěn)定運行能力，并建立了用于預測環(huán)路熱管工作溫度的穩(wěn)態(tài)模型。將仿真結果與實驗數據進行比較可得，蒸發(fā)器、蒸汽、冷凝器出口和液體管線入口溫度的最大相對誤差均小于15%。Gabsi 等[74]對穩(wěn)態(tài)運行下的平板銅-水環(huán)路熱管建立數學模型。該模型基于每個組件的能量和動量平衡方程，特別考慮了蒸發(fā)器中的傳熱過程，并且根據量綱為1的相關性確定了蒸發(fā)傳熱系數。分析結果發(fā)現，在熱負荷5W～600W 范圍內，模擬結果與實驗結果吻合較好。Tharayil 等[75]對平板形環(huán)路熱管建立基于熱量傳遞、質量平衡和壓降損失的熱力學模型，并將環(huán)路熱管熱性能和熵產生的模擬結果與實驗結果進行比較。環(huán)路熱管使用的工質是水和兩種體積分數的石墨烯-水納米流體（0.003%和0.006%）。圖10是蒸發(fā)器壁溫隨熱負荷變化的關系圖，可以看出，模擬結果與實驗之間的偏差很小，蒸發(fā)器壁溫最大偏差為6%。此外，根據模型和實驗結果估算了由于傳熱和壓降導致的環(huán)路熱管的熵產生。結果表明，納米流體的使用減少了熵的產生并提高了熱力學第二定律的效率。對于體積分數為0.003%和0.006%的納米流體，其總熵產生分別減少23.9%和34.6%。Zhu等[76]基于節(jié)點分析方法對各節(jié)點建立數學模型。該數學模型可以用于計算熱量的傳遞、壓力損失和各節(jié)點的溫度情況。與實驗結果比較發(fā)現，該數學模型所獲得的模擬溫度與實驗溫度之間的一致性很好。Li等[77]利用節(jié)點分析方法建立的數學模型和實驗方法來研究三種不同結構蒸發(fā)器的熱性能，其結構如圖11所示。結構1是將蒸汽通道設置在加熱面上，結構2是將蒸汽通道設置在吸液芯上，而結構3有效利用了蒸發(fā)壓頭可作為工質循環(huán)動力的一部分這一原理，使吸液芯不直接接觸受熱面，以減少熱泄露。測試結果和模擬結果表明：在啟動過程和不同的熱負荷下，實驗結果和模擬結果之間的一致性很好。在最高溫度節(jié)點處，三種蒸發(fā)器結構的實驗溫度與模擬溫度之間的最大相對偏差分別為1.1℃,1.3℃和1.9℃。通過實驗和模擬結果可知，減小吸液芯與加熱面之間的接觸面積是提高環(huán)路熱管性能的關鍵。由于蒸汽室的存在，在結構3中吸液芯與加熱面分離，使其工作溫度最低，啟動時間最短。對于結構3，由于蒸發(fā)發(fā)生在蒸汽室而不是在吸液芯內，在相同熱負荷下，它比結構1 和結構2 具有更長的輸送距離。Jose等[78]用三維計算流體動力學模型來研究以二氧化硅-水納米流體為工質的平板形環(huán)路熱管的熱性能。當網格數為240514 時，其模擬結果與實驗值之間的相對偏差為3.13%。模擬研究表明，相比于去離子水，二氧化硅-水納米流體顯著降低了環(huán)路熱管蒸發(fā)器的溫度。蒸發(fā)器的溫度降低了近27%。此外，二氧化硅-水納米流體的環(huán)路熱管會更快地達到穩(wěn)定狀態(tài)。Zhang 等[79]在蒸發(fā)器殼體和儲液室殼體之間的接觸表面上增加隔熱層來減少熱泄漏，在碳纖維吸液芯的表面上用氧化鋁-銅涂層代替銅鍍層以減少通過吸液芯所產生的熱傳遞，并通過三維穩(wěn)態(tài)數值計算流體動力學模型來驗證了所提出改進的有效性。模擬結果表明，熱導率低的硅片可以將儲液室中的液體體積分數提高到23%，而氧化釔摻雜氧化鋯（YSZ）的絕熱層可以將其提高到74%。與硅片和銅鍍層的組合相比，YSZ層和氧化鋁-銅涂層的組合可使蒸發(fā)器-冷凝器殼體的溫度降低5.7℃。

圖10 蒸發(fā)器壁溫隨熱負荷變化的關系圖

圖11 不同環(huán)路熱管蒸發(fā)器結構示意圖

相比于蒸發(fā)器的模型研究，平板形環(huán)路熱管系統(tǒng)的模型研究對環(huán)路熱管的前期設計、性能評價及內部傳熱傳質機理的了解更具指導意義。上文已經詳細地綜述了國內外最近五年平板形環(huán)路熱管系統(tǒng)的模型研究。為了對這些模型有著更加深入的了解，將這些模型分類整理于表2中。從表2中可以看出，這些模型可以大致分為常規(guī)的一維穩(wěn)態(tài)分析模型、基于結點分析法建立的一維穩(wěn)態(tài)模型和三維計算流體動力學模型。對于常規(guī)的一維穩(wěn)態(tài)分析模型，其應用比較廣泛，模型比較簡單，可以獲得熱負荷與溫度之間的關系，但很難獲得環(huán)路熱管各處的溫度分布和內部傳質情況。此外，對于一些結構復雜的環(huán)路熱管，該模型所獲得的數據與實驗數據之間的誤差比較大；對于基于節(jié)點分析法建立的一維穩(wěn)態(tài)模型，其模型也比較簡單，模型的準確度比較高。不僅可以獲得熱負荷與溫度之間的關系，而且還可以獲得不同加熱時間下環(huán)路熱管各點的溫度情況。該模型是一維模型，也很難獲得環(huán)路熱管各處的溫度分布和內部傳質情況。對于三維計算流體動力學模型，可以獲得環(huán)路熱管各處的溫度分布和內部傳質情況，但其模型比較復雜，計算時間長。對于復雜結構的平板形環(huán)路熱管，該三維模型的適用性不強，且模擬誤差較大。

表2 平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管系統(tǒng)的常規(guī)模型

4 結語與展望

近年來，隨著大功率半導體電子器件的迅速發(fā)展，平板形環(huán)路熱管的優(yōu)勢逐漸顯現出來，其研究熱度已逐漸地超越了傳統(tǒng)的圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管。本文從平板形環(huán)路熱管的實驗研究（吸液芯結構設計、工質選擇、蒸發(fā)器優(yōu)化）和理論模型研究的角度出發(fā)，詳細地介紹了國內外研究機構近年來在平板形環(huán)路熱管領域的研究進展。

（1）吸液芯是環(huán)路熱管的核心部分，其毛細力的大小和滲透率直接影響著環(huán)路熱管的啟動和運行性能。針對如何提高吸液芯的性能這一難題，國內研究學者在不斷的探索開發(fā)其新型吸液芯結構和材料，來提高吸液芯的毛細力，同時降低環(huán)路熱管運行過程中吸液芯所帶來的熱泄露。

（2）不同工質的熱物理特性各不相同，其熱物性對環(huán)路熱管的選材、運行范圍、運行狀況和傳熱性能都有著直接的影響。其次，工質的充液量/率對環(huán)路熱管的傳熱性能也有很大的影響。本文總結了近年來在環(huán)路熱管研究中幾種常見工質的應用情況，重點對比了不同工質和充液量/率對同一環(huán)路熱管性能的影響，可以確定出不同工質間傳熱性能的好壞，為今后環(huán)路熱管工質得選擇提供了參考。

（3）在吸液芯和工質的研究之外，其蒸發(fā)器的優(yōu)化對提高環(huán)路熱管的性能也有著重要的影響。其研究范圍主要集中于蒸發(fā)器新型結構的設計、蒸發(fā)器復合材料的應用以及蒸發(fā)器內部表面的改性。

（4）平板形環(huán)路熱管數值模擬研究對其結構設計、溫度分布及散熱能力的評估具有重大的意義。本文重點總結了近幾年國內外學者在環(huán)路熱管蒸發(fā)器模型和穩(wěn)態(tài)運行模型方面的模擬研究，為今后新型模型的開發(fā)與改進提供了理論基礎。

雖然國內外學者對平板形環(huán)路熱管進行了大量的相關研究，但該環(huán)路熱管的研究還有很大的提升空間?；诒揪C述的基礎上，提出以下展望。

（1）平板形環(huán)路熱管吸液芯結構的設計要考慮其毛細力、滲透率、熱導率、親水性能以及加工的難易程度，現有的各類型吸液芯都有一定的優(yōu)缺點，因此尋求高性能的吸液芯結構和材質仍是今后的研究重點。

（2）目前，工質的研究主要集中于幾種傳統(tǒng)的工質。在一些散熱器件中，自潤濕流體等新型工質已表現出良好的性能，然而該工質在平板形環(huán)路熱管中的應用極少，因此可以將該工質引入環(huán)路熱管的研究。此外，還可將納米磁流體應用于平板形環(huán)路熱管中，并在環(huán)路熱管的汽液線外壁布置磁場，研究其對平板形環(huán)路熱管性能的影響。根據熱源以及散熱要求不同，開發(fā)其他的新型工質也是一種研究趨勢。

（3）相比于吸液芯結構設計、工質的選擇，蒸發(fā)器優(yōu)化的研究很少。然而，蒸發(fā)器優(yōu)化在提高環(huán)路熱管的傳熱性能、減少熱泄露、增強其機械強度等方面具有重大意義。針對平板形環(huán)路熱管的熱泄露和儲液室壁面易凹陷等問題，可以在平板形環(huán)路熱管儲液室內部燒制一層薄的陶瓷，不僅可以減少來自于蒸發(fā)器壁的熱泄露，而且還可以增強儲液室壁面的強度。

（4）平板形環(huán)路熱管的理論模型研究起步較晚，現有的模型不多，這些模型多為穩(wěn)態(tài)模型。然而平板形環(huán)路熱管非穩(wěn)態(tài)模型的開發(fā)也是十分必要的，其對環(huán)路熱管啟動過程中的傳熱傳質現象的了解有著重要意義。