趙佳騰，吳晨輝，戴宇成，饒中浩，2，3

（1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2 河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；3河北省熱科學(xué)與能源清潔利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401）

引 言

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，各種設(shè)備趨向于集成化、小型化和高熱通量，各個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω咝?、高均溫性的散熱需求日益提高[1]。熱能的高效利用和回收是解決能源可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的重要途徑。熱管是一種高效傳熱元件，被廣泛應(yīng)用于熱輸送領(lǐng)域。傳統(tǒng)重力驅(qū)動(dòng)熱管的單向?qū)嵝裕拗屏似鋺?yīng)用范圍；傳統(tǒng)毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)熱管的燒干極限較低，工質(zhì)回流能力較弱，不適合長(zhǎng)距離熱輸送[2]。脈動(dòng)熱管（oscillating heat pipe, OHP）于20 世紀(jì)90 年代被提出，由若干直管路和彎頭組成，依靠管內(nèi)工質(zhì)交替蒸發(fā)膨脹和冷凝收縮產(chǎn)生的壓力差以及相鄰管間的壓力不平衡提供整體驅(qū)動(dòng)力[3]。脈動(dòng)熱管不僅能夠通過(guò)氣液相變傳遞潛熱，而且可以通過(guò)汽液塞振蕩傳遞顯熱，相對(duì)傳統(tǒng)熱管具有眾多優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理論熱輸送距離長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣、傳熱極限高、抗重力性能好、啟動(dòng)迅速、加熱方式靈活等[4-5]。脈動(dòng)熱管在太陽(yáng)能熱利用、余熱回收、電子冷卻等熱輸送領(lǐng)域是一種簡(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì)的選擇，應(yīng)用前景良好。

自脈動(dòng)熱管提出以來(lái)，科研人員對(duì)其啟動(dòng)和傳熱特性、運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究，實(shí)驗(yàn)研究主要是針對(duì)流型演變，以及定量分析結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作條件等對(duì)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱性能的影響，理論研究通常是建立簡(jiǎn)化模型來(lái)模擬并定性分析脈動(dòng)熱管內(nèi)部多相流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)過(guò)程[6]?，F(xiàn)有綜述大多是對(duì)脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)和理論研究的進(jìn)展以及常規(guī)脈動(dòng)熱管的應(yīng)用研究進(jìn)行總結(jié)，各有側(cè)重，少部分涉及了通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)來(lái)強(qiáng)化傳熱[6-10]。近年來(lái)，為了強(qiáng)化換熱和適應(yīng)不同工作需求，研究人員設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動(dòng)熱管，并對(duì)各自提出的新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱特性及應(yīng)用做了大量研究，但尚無(wú)一種通用的結(jié)構(gòu)形式，距離商業(yè)化應(yīng)用前路漫漫。本文對(duì)已有研究中涉及脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法進(jìn)行提煉，得到如圖1 所示的發(fā)展脈絡(luò)，圖中圓的大小代表這一方法的權(quán)重，兩個(gè)圓之間的距離及線寬表示兩個(gè)方法之間的親緣性，顏色代表這一方法所處年份的平均。從圖中可以看出，前期的研究主要偏向于內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)以強(qiáng)化傳熱，并隨著技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展。例如，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法按時(shí)間排序?yàn)椋航孛嫘螤?、止回閥、截面尺寸和內(nèi)表面修飾；近年的研究趨向于外部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，除部分以強(qiáng)化傳熱為目的外，開(kāi)始面向特殊工況的傳熱需求，結(jié)構(gòu)多樣但現(xiàn)有研究相對(duì)較少；此外，部分研究涉及多種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，在提升工況適應(yīng)性的同時(shí)考慮了強(qiáng)化傳熱，是進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)。

為了更好地呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的發(fā)展脈絡(luò)，本文主要從以下三個(gè)部分進(jìn)行綜述：強(qiáng)化熱性能的內(nèi)部新結(jié)構(gòu)、適應(yīng)不同工作要求的外部新結(jié)構(gòu)以及新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橥ㄓ眯孕陆Y(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 脈動(dòng)熱管內(nèi)部新結(jié)構(gòu)及傳熱強(qiáng)化

脈動(dòng)熱管由于較長(zhǎng)的流動(dòng)通道，增加了啟動(dòng)熱通量，限制了其在低熱通量工況下的應(yīng)用；此外，脈動(dòng)熱管工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)受到驅(qū)動(dòng)壓差、表面張力、摩擦力和重力等的綜合作用，且受表面張力的影響較大，會(huì)一定程度削弱脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱性能[11]。除工質(zhì)熱物性參數(shù)、操作條件和外部條件等以外，包括通道壁面結(jié)構(gòu)、截面形狀和尺寸等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱特性的重要因素[9,12-13]。基于脈動(dòng)熱管工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要從兩個(gè)方面協(xié)同強(qiáng)化脈動(dòng)熱管性能：一是強(qiáng)化工質(zhì)與壁面的換熱，二是提高循環(huán)驅(qū)動(dòng)力、促進(jìn)工質(zhì)的振蕩[14]。實(shí)現(xiàn)方式有內(nèi)表面修飾和通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)[8,15]兩種。

1.1 通道內(nèi)表面修飾

工質(zhì)與脈動(dòng)熱管通道內(nèi)表面的相互作用直接影響其在管內(nèi)的振蕩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相變傳熱速率[16-17]。通過(guò)調(diào)整通道內(nèi)表面多尺度結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)調(diào)控和相變傳熱過(guò)程強(qiáng)化屬于無(wú)源強(qiáng)化手段[18]，調(diào)控表面結(jié)構(gòu)的尺度和分布不僅可以促進(jìn)氣泡的核化、生長(zhǎng)和溢出以及冷凝液滴的形成和脫離，增強(qiáng)壁面與工質(zhì)換熱，還可以改變其浸潤(rùn)性，利于調(diào)控工質(zhì)與通道表面的毛細(xì)力和摩擦力[19-21]。因此，合理修飾脈動(dòng)熱管通道內(nèi)表面，可以有效強(qiáng)化其傳熱性能和啟動(dòng)特性[22-23]。

表面結(jié)構(gòu)修飾可以在通道表面構(gòu)造人工核化點(diǎn)，也可以通過(guò)粉末燒結(jié)等構(gòu)成吸液芯這一傳統(tǒng)熱管有益元素[24]。孫芹[25]控制硅表面的刻蝕構(gòu)造了如圖2(a)所示的大小不同的凸起和凹穴，構(gòu)成的人工核化點(diǎn)通過(guò)促進(jìn)工質(zhì)核化來(lái)降低啟動(dòng)溫度、縮短啟動(dòng)時(shí)間以及提高傳熱性能；隨充液率增大，啟動(dòng)性能進(jìn)一步增強(qiáng)，但增大了工質(zhì)運(yùn)動(dòng)的阻力，提升傳熱性能的效果變差。Kim 等[26]在OHP 通道兩側(cè)設(shè)置凹腔，可以促進(jìn)啟動(dòng)、降低熱阻，啟動(dòng)功率和熱阻分別可降低50%和57%；隨凹腔尺寸增加，啟動(dòng)功率減小，但高功率下小尺寸凹腔OHP 具有更好的傳熱性能。Qu 等[27]在平板OHP 內(nèi)表面燒結(jié)超薄泡沫銅構(gòu)成吸液芯，起到增大固液接觸面、提供成核點(diǎn)及促進(jìn)冷凝工質(zhì)回流的作用，工質(zhì)擾動(dòng)更劇烈，有效提升OHP 均溫、啟動(dòng)和換熱性能，但在高熱通量條件下發(fā)生局部燒干。Kato等[28]在OHP蒸發(fā)段內(nèi)表面添加銅絲網(wǎng)以保證工質(zhì)回流。Ibrahim 等[29]采用Ti-6Al-4V 粉末制備OHP，如圖2(b)所示，表面形成的粉末燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)毛細(xì)力和啟動(dòng)過(guò)程的沸騰傳熱，降低重力依賴性和啟動(dòng)功率。Wang等[30-31]和彭友權(quán)[24]研究了蒸發(fā)器帶銅粉燒結(jié)吸液芯的OHP 在不同充液率、加熱功率和傾角下的熱性能，與光滑表面相比，形成的多孔結(jié)構(gòu)表面可以促進(jìn)氣泡的產(chǎn)生、生長(zhǎng)和聚合及汽液塞的振蕩運(yùn)動(dòng)，有效強(qiáng)化抗重力、啟動(dòng)和換熱性能。如圖2(c)所示，周華[32]提出的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)OHP 在較低熱負(fù)荷下熱阻僅為傳統(tǒng)OHP 的1/10。Qu 等[33]在可視化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，理論分析表明，內(nèi)表面涂覆微顆?；蛟O(shè)置空腔均可以促進(jìn)氣泡成核和生長(zhǎng)，提高熱管的啟動(dòng)和運(yùn)行性能，增大表面粗糙度可以降低啟動(dòng)所需熱通量，但會(huì)增加摩擦阻力。Xu 等[34]對(duì)燒結(jié)顆粒吸液芯OHP 的數(shù)值模擬研究表明，吸液芯結(jié)構(gòu)使得潛熱和顯熱傳遞量顯著增加，繼而增加了汽塞溫度和壓力以及液塞振蕩幅值，但增大顆粒直徑會(huì)降低傳熱性能。

由于OHP 管徑一般較小，多孔結(jié)構(gòu)等處理的難度較大，微槽道結(jié)構(gòu)是可供替代的選擇[35]。Qu等[16,35-38]對(duì)比了具有如圖2(d)所示內(nèi)螺旋溝槽的OHP和光滑管OHP的啟動(dòng)和傳熱特性，水平放置時(shí)光滑管OHP 難以啟動(dòng)，而溝槽OHP 仍能正常啟動(dòng)，且具有較高的燒干極限；溝槽結(jié)構(gòu)的加入可以強(qiáng)化冷熱段的氣液相變，促進(jìn)冷凝工質(zhì)回流，從而降低啟動(dòng)功率并提升有效熱導(dǎo)率。于子程[39]為微平板OHP 設(shè)計(jì)了W 型溝道吸液芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加尖角數(shù)量來(lái)增強(qiáng)毛細(xì)力，通過(guò)受力分析和數(shù)值模擬研究了溝道和溝道壁寬度對(duì)毛細(xì)力大小的影響。Xu 等[40]通過(guò)三維非定常模型研究了蒸發(fā)段加入微槽的平板OHP熱力學(xué)特性，如圖2(e)所示，相比于常規(guī)通道OHP，有效強(qiáng)化傳熱性能，在高熱負(fù)荷下具有更小的熱阻。

圖2 脈動(dòng)熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)修飾[16,25,29,32,35-38,40]Fig.2 Structure modification of oscillating heat pipe inner surface[16,25,29,32,35-38,40]

表面結(jié)構(gòu)修飾影響工質(zhì)濕潤(rùn)狀態(tài)及兩相流動(dòng)特性[41]，研究人員通過(guò)化學(xué)刻蝕[19,22,42-48]、自組裝[42-44,46,49]、堿性輔助表面氧化技術(shù)[50]等多種方法改變表面浸潤(rùn)性，以提升脈動(dòng)熱管性能。納米流體OHP 實(shí)驗(yàn)表明，強(qiáng)化機(jī)理之一是納米顆粒對(duì)內(nèi)表面的改性作用。受此啟發(fā)，Ji等[19,48,50]在OHP 內(nèi)表面涂覆超親水性的CuO 微結(jié)構(gòu)層，使得OHP 換熱性能大幅提升，且隨著親水性的增強(qiáng)效果更好，實(shí)現(xiàn)了最低為0.1℃/W 的有效熱阻。郝婷婷等[43,45]研究了親水和超親水表面對(duì)OHP 液彈脈動(dòng)及液膜沉積的影響，可視化實(shí)驗(yàn)表明，相比銅OHP，液彈脈動(dòng)程度成倍增強(qiáng)，液膜沉積長(zhǎng)度隨親水性增強(qiáng)而增長(zhǎng)，OHP傳熱性能得到提升，但超親水表面微結(jié)構(gòu)中滯留的工質(zhì)導(dǎo)致其傳熱性能低于親水OHP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，王瑞祥等[15,41]通過(guò)不同正火、退火工藝直接對(duì)OHP 金屬壁面進(jìn)行改性以提高無(wú)水乙醇的浸潤(rùn)性，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣泡與壁面的附著力減小，可促進(jìn)氣泡的產(chǎn)生和脫離，提高啟動(dòng)性能，在低加熱功率下效果更加明顯。OHP在內(nèi)表面超疏水條件下難以正常工作[44]，Ji等[49]在OHP 內(nèi)表面涂覆超疏水的正十八烷基硫醇自組裝單分子層，該超疏水OHP 仍可正常啟動(dòng)且具有良好的傳熱性能，對(duì)內(nèi)表面浸潤(rùn)性條件不敏感。

合理布置脈動(dòng)熱管不同區(qū)域的浸潤(rùn)性，可以協(xié)同不同浸潤(rùn)性在強(qiáng)化沸騰換熱和冷凝方面的作用[43]。郝婷婷等[43-44]分別對(duì)具有親水（銅）、超疏水和組合親疏水（蒸發(fā)段超親水，冷凝段和絕熱段超疏水）內(nèi)表面的OHP 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，不同浸潤(rùn)性表面的接觸角如圖3(a)所示，與銅OHP相比，組合表面可以強(qiáng)化OHP 內(nèi)部工質(zhì)的段塞運(yùn)動(dòng)，整體傳熱性能提升5%～20%，均勻超疏水表面OHP 則相反，甚至出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象。Leu 等[17]也對(duì)具有不同浸潤(rùn)性表面的OHP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，組合表面OHP具有最低的熱阻，表面的組合浸潤(rùn)性起到類(lèi)似單向閥的作用，冷凝段超疏水表面促進(jìn)滴狀冷凝，蒸發(fā)段超親水表面為汽液塞運(yùn)動(dòng)提供更大的動(dòng)力，協(xié)同提升OHP 傳熱性能。張慶振[46]研究發(fā)現(xiàn)，組合表面OHP冷凝段超疏水區(qū)域起到減阻作用，啟動(dòng)性能最好，但穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)超疏水表面阻礙顯熱傳遞，整體傳熱性能低于超親水OHP。受Xie 等[51]、Cheng 等[52]和Singh 等[53]的啟發(fā)，于慧文等[22,47]制備了從冷凝段至蒸發(fā)段接觸角線性減小的梯度浸潤(rùn)性表面，如圖3(b)所示，豎直加熱模式下梯度表面OHP 對(duì)傳熱性能的提升次于超親水OHP；水平加熱時(shí)，銅OHP 無(wú)法啟動(dòng)，梯度表面提供額外的驅(qū)動(dòng)力，OHP 成功啟動(dòng)，熱阻最大可降低45%，傳熱性能最佳，理論模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 脈動(dòng)熱管不同浸潤(rùn)性表面[22,43-44,47]Fig.3 Oscillating heat pipe with different surface wettability[22,43-44,47]

在通道表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)和浸潤(rùn)性修飾可以有效強(qiáng)化脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱性能，但是獲得不同修飾方式下的最佳操作條件、降低表面修飾的難度和成本以及保證修飾表面的壽命是亟待解決的問(wèn)題。此外，未來(lái)的研究應(yīng)該對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)表面不同區(qū)域進(jìn)行合理修飾，協(xié)同不同結(jié)構(gòu)尺度和浸潤(rùn)性在強(qiáng)化脈動(dòng)熱管性能方面的作用。

1.2 通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)異型或非均勻設(shè)計(jì)對(duì)脈動(dòng)熱管通道結(jié)構(gòu)和布置進(jìn)行改進(jìn)，合理匹配不同區(qū)域的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力和工質(zhì)流動(dòng)阻力，是提升脈動(dòng)熱管性能的一種簡(jiǎn)單有效的方法[9,25]。

1.2.1 截面形狀 脈動(dòng)熱管通道截面形狀直接影響脈動(dòng)熱管內(nèi)部汽液塞分布及流型轉(zhuǎn)化、壓差驅(qū)動(dòng)力及流動(dòng)阻力，其中截面尖角的影響尤為突出[6,54-56]。

矩形截面方面：Mehta 等[3]對(duì)比了不同尺寸、加熱功率下矩形和圓形截面OHP 的傳熱性能，矩形通道增強(qiáng)了工質(zhì)的振蕩運(yùn)動(dòng)，熱阻更低。Hua 等[57]的研究表明，矩形OHP 傳熱性能隨充液率減小而增強(qiáng)，相同條件下，矩形OHP 熱阻僅為圓形的30%～40%，冷熱端溫差降低10～20℃，但啟動(dòng)功率是圓形的1.5～2 倍。李楠[5]、Khandekar[58]、郝婷婷[43]和陳陽(yáng)陽(yáng)等[59-60]的研究同樣證明了矩形截面的尖角結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)毛細(xì)力，促進(jìn)工質(zhì)脈動(dòng)，傳熱性能優(yōu)于圓形截面OHP。郝婷婷[43]還基于非圓形通道中流型轉(zhuǎn)變過(guò)程氣液界面演化規(guī)律的模擬結(jié)果，引入?yún)?shù)彎月面面積比建立了非圓形通道中流型轉(zhuǎn)變的無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式。

三角形截面方面：周巖等[61-63]對(duì)比了正方形和正三角形截面OHP 的傳熱性能，三角形截面可以提供更大的毛細(xì)力，促進(jìn)氣液相變和工質(zhì)脈動(dòng)，熱阻比正方形截面OHP 低，理論建模分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合。夏侯國(guó)偉等[64-66]通過(guò)隔板將平板OHP 分割成上下兩層槽道，構(gòu)成雙面矩形和三角形平板OHP，分別如圖4(a)、(b)所示，當(dāng)量熱導(dǎo)率是常規(guī)脈動(dòng)熱管的兩倍以上，且雙面三角形OHP 具有更好的傳熱性能。權(quán)力[67]、李志等[68-69]、王超[70]也對(duì)不同條件下矩形和三角形截面OHP 進(jìn)行了研究，得到相似的結(jié)論。此外，李玉華等[71-72]通過(guò)模型計(jì)算證明了等腰直角三角形截面OHP 的傳熱性能優(yōu)于正三角形截面。

梯形截面方面：Qu 等[73-74]實(shí)驗(yàn)研究了梯形截面硅基OHP 在不同條件下的啟動(dòng)和傳熱特性，得到了不同水力直徑下OHP內(nèi)部?jī)上嗔餍停揙HP遠(yuǎn)小于前人提出的Bond數(shù)和水力直徑的下限；與傳統(tǒng)OHP不同的是，梯形OHP 沒(méi)有檢測(cè)到局部核沸騰。陳婭琪等[75-76]對(duì)梯形截面OHP 的研究發(fā)現(xiàn)，通道內(nèi)的汽液塞不能形成隨機(jī)分布的初始狀態(tài)，不利于啟動(dòng)；較大水力直徑OHP 內(nèi)觀察到間歇性沖刷和非典型振蕩兩種運(yùn)行模式，前者主要出現(xiàn)在水平工況下，傳熱效果較差，后者的傳熱效果受重力影響較大。孫芹[25]研究發(fā)現(xiàn)管內(nèi)初始汽液塞分布決定了梯形OHP 核化或無(wú)核化啟動(dòng)，由于壁面光滑，核化啟動(dòng)溫度較高，單通道內(nèi)兩相流型與微通道相似。夏侯國(guó)偉等[77-80]提出了新穎的梯形截面單面波浪結(jié)構(gòu)平板OHP，如圖4(c)所示，波浪結(jié)構(gòu)有利于增大散熱面積，基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果提出了啟動(dòng)時(shí)間、初始和完全啟動(dòng)溫度三個(gè)參數(shù)描述OHP 啟動(dòng)特性。王超[70]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了梯形和三角形截面微型OHP 的傳熱性能優(yōu)于矩形OHP，但三角形截面OHP 更難啟動(dòng)；不同截面OHP 內(nèi)部的兩相流型差異較大：梯形和三角形OHP 內(nèi)部沒(méi)有矩形OHP 的核態(tài)沸騰現(xiàn)象和噴射流，蒸發(fā)段彎頭結(jié)構(gòu)和表面張力的作用使得汽柱斷裂，形成的長(zhǎng)汽塞受底部摻混流和壁面回流的液相的擠壓而斷裂。

非均勻設(shè)計(jì)利用不同截面通道的表面張力差異，產(chǎn)生了附加的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，如式（1）所示[8]：

式中，σ為表面張力系數(shù)；R1、R2分別為不同截面的曲率半徑。此外，工質(zhì)在不同截面通道處受到的流動(dòng)阻力不同，促使工質(zhì)向阻力小的方向流動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的[81]。如圖4(d)所示，商福民等[14,82-84]將OHP 蒸發(fā)段和絕熱段管路加工成圓形和橢圓形截面周期性布置的非均勻結(jié)構(gòu)，起到增加工質(zhì)振蕩頻率、強(qiáng)化傳熱的作用，但需要足夠的熱通量克服非均勻截面帶來(lái)的流動(dòng)阻力；通過(guò)建立的非均勻結(jié)構(gòu)OHP 流動(dòng)沸騰傳熱模型與實(shí)驗(yàn)相驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)對(duì)流換熱的強(qiáng)化效果遠(yuǎn)強(qiáng)于沸騰換熱。Tseng 等[85]加工了圓管和橢圓管交替分布的交變管路OHP，如圖4(e)所示，相比均勻OHP具有更低的熱阻和啟動(dòng)功率，穩(wěn)定運(yùn)行后，二者熱阻隨加熱功率、傾角等因素的變化趨勢(shì)相似。

圖4 具有異型或非均勻截面形狀的脈動(dòng)熱管[14,64-66,77-80，82-85]Fig.4 Oscillation heat pipe with special or non-uniform cross-sectional shape[14,64-66,77-80，82-85]

異型和非均勻截面脈動(dòng)熱管雖然更難啟動(dòng)，但尖角結(jié)構(gòu)和布置的不同截面通道增加了毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，有效強(qiáng)化傳熱性能，后續(xù)研究應(yīng)該對(duì)啟動(dòng)功率增加和傳熱性能提升綜合考慮。表1匯總了不同截面形狀脈動(dòng)熱管的研究。

表1 不同截面形狀脈動(dòng)熱管的研究Table 1 Research on oscillation heat pipes with different sectional shapes

續(xù)表1

1.2.2 非均勻截面尺寸 受工質(zhì)密度和表面張力的影響，脈動(dòng)熱管管徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣液分層，難以形成汽液塞，管徑減小又會(huì)增加毛細(xì)阻力[6,55]，而在非均勻管徑的通道中工質(zhì)在不同區(qū)域所受的流動(dòng)阻力和驅(qū)動(dòng)力不同，局部壓差驅(qū)動(dòng)力會(huì)促使管內(nèi)工質(zhì)向阻力小的方向流動(dòng)，增強(qiáng)汽液塞振蕩頻率和幅度，從而起到強(qiáng)化傳熱的作用[8]。

不同尺寸通道合理布置實(shí)現(xiàn)的非均勻脈動(dòng)熱管，對(duì)工質(zhì)施加了額外的驅(qū)動(dòng)力。曹小林等[86]通過(guò)不同尺寸通道相間排列對(duì)OHP 結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使工質(zhì)在通道中單向流動(dòng)，提升OHP傳熱性能。He等[87]在OHP 中串聯(lián)錐形噴嘴，噴嘴正向壓降低可以促進(jìn)單向流動(dòng)，脈動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于反向，起到減小熱阻和啟動(dòng)時(shí)間、提高燒干極限的作用，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)力理論解釋了啟動(dòng)時(shí)間變化的原因。Liu 等[88]和李驚濤等[89-90]對(duì)內(nèi)徑交錯(cuò)變化和最右側(cè)管道為粗管的非均勻OHP 進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，變管徑通道破壞了流道的均衡性和對(duì)稱性，合理匹配的流動(dòng)阻力和粗細(xì)管連接處漸擴(kuò)管道對(duì)氣泡的微泵效應(yīng)，促使工質(zhì)單向循環(huán)。Kwon 等[91]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雙管徑單回路OHP 通過(guò)促進(jìn)循環(huán)流動(dòng)使得熱阻降低了45%；通過(guò)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立的簡(jiǎn)化模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，無(wú)量綱管徑差范圍為0.25～4 時(shí)可以最大幅度提升換熱性能。針對(duì)如圖5(a)所示的雙徑OHP，Kwon 等[92]將毛細(xì)管壓差和黏性壓降的比值定義為品質(zhì)因數(shù)，當(dāng)其大于2×105時(shí)雙徑OHP 的性能與方向無(wú)關(guān)。王迅等[93-94]基于薄液膜蒸發(fā)機(jī)理和VOF 模型建立了變管徑OHP 計(jì)算模型，如圖5(b)所示，結(jié)果表明，變管徑結(jié)構(gòu)提高了工質(zhì)脈動(dòng)頻率，促進(jìn)液膜的再濕潤(rùn)，提高傳熱極限；由于蒸發(fā)段管徑較大，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，且隨著管徑比的增加而變長(zhǎng)。史維秀[95]研究了不同充液率、傾角、加熱功率、工質(zhì)和冷卻水流量等條件對(duì)不同尺寸通道交替分布的非對(duì)稱OHP 啟動(dòng)和傳熱性能的影響，混沌分析表明非對(duì)稱OHP 具有混沌力學(xué)特征；與其他研究相反，相同工況下對(duì)稱OHP 傳熱性能優(yōu)于非對(duì)稱OHP。章旺等[96]基于三大守恒方程建立兩管徑式脈動(dòng)熱管的物理和數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)段管徑小于冷凝段時(shí)具有較高的振頻和較小的振幅，傳熱性能更優(yōu)。商福民等[82,97-98]、Chiang 等[99]、Chien 等[100]、Kato 等[28]、Yang 等[101-102]、趙曉歡等[103-104]、Jang 等[105]、張強(qiáng)等[106]也對(duì)非均勻截面尺寸OHP 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)通過(guò)促進(jìn)工質(zhì)單向流動(dòng)和振蕩來(lái)促進(jìn)啟動(dòng)、強(qiáng)化傳熱，但也存在相反的結(jié)論。

圖5 非均勻截面尺寸脈動(dòng)熱管[5,25,70,92-94,113]Fig.5 Oscillating heat pipe with non-uniform cross-sectional size[5,25,70,92-94,113]

單一通道管徑周期性變化構(gòu)成的漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，不僅增加毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，還能促進(jìn)工質(zhì)蒸發(fā)，增強(qiáng)擾動(dòng)等[5,107-108]。李楠[5]對(duì)具有漸縮漸擴(kuò)通道的OHP進(jìn)行了可視化和傳熱實(shí)驗(yàn)研究，如圖5(c)所示，由于漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的不對(duì)稱氣液界面促進(jìn)液體摻混，可以強(qiáng)化傳熱，矩形凹槽內(nèi)殘留的液體可以促進(jìn)蒸發(fā)、提升蒸發(fā)極限；但水力直徑較小時(shí)增大了液彈脈動(dòng)阻力，導(dǎo)致熱阻增大。王超[70]研究了三角形縮擴(kuò)結(jié)構(gòu)OHP 的強(qiáng)化傳熱效果和機(jī)理，如圖5(d)所示，縮擴(kuò)結(jié)構(gòu)對(duì)OHP 傳熱性能的影響取決于其導(dǎo)致的附加驅(qū)動(dòng)力、流阻增大以及工質(zhì)擾動(dòng)破壞熱邊界層三者博弈，僅“上寬下窄”結(jié)構(gòu)在熱負(fù)荷較高時(shí)可以強(qiáng)化換熱。蔣二輝等[109-110]通過(guò)數(shù)值模擬研究了鋸齒波紋段位置對(duì)OHP 性能的影響，鋸齒段在熱管兩端時(shí)啟動(dòng)時(shí)間最短，在冷凝段時(shí)溫差最小、傳熱效率最高，是最佳布置位置。進(jìn)一步，Wang等[107-108]研究了波紋段位置對(duì)單回路OHP 性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)段設(shè)置波紋段可以增加汽化核心、加強(qiáng)擾動(dòng)，從而縮短啟動(dòng)時(shí)間和降低熱阻，最大分別可減少23.43%和28.96%。魏智康等[111]基于Mixture模型構(gòu)建了波形OHP和微槽平板熱管模型，波形OHP 具有更好的傳熱性能，空間上蒸發(fā)段溫度均勻性更好，但時(shí)間尺度上較差。為最大限度發(fā)揮漸縮漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用，應(yīng)該對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置位置進(jìn)行優(yōu)化。

管徑沿軸向線性變化的通道可以促使工質(zhì)定向自驅(qū)動(dòng)[25]。Holley 等[112]首次建模研究了漸變管徑通道對(duì)OHP 傳熱的促進(jìn)作用，發(fā)現(xiàn)漸變管徑通道可以增強(qiáng)換熱，提升燒干極限，降低重力依賴性和溫差。陳婭琪[75]通過(guò)水力直徑漸變的變截面結(jié)構(gòu)增大毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了OHP 工質(zhì)的單向循環(huán)，相比于等截面OHP，傳熱強(qiáng)化比可達(dá)61%。孫芹等[25,113]對(duì)變截面和等截面OHP 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，如圖5(e)所示的變截面通道可定向自驅(qū)動(dòng)工質(zhì)、促進(jìn)蒸發(fā)段的核化沸騰，啟動(dòng)和傳熱性能得到提升，大充液率條件下效果更明顯。王迅等[114-115]采用VOF 方法對(duì)常規(guī)和漸變式平板OHP 進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，漸變式結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流型影響較小，但溫度振蕩頻率增加、振幅減小，均溫性良好；大小截面比值越大，漸變式OHP 啟動(dòng)性能越好，但熱阻先減小后增大，1.5∶1 時(shí)達(dá)到最小值。

以上研究結(jié)果表明，非均勻截面尺寸設(shè)計(jì)可以提升脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和傳熱性能。提出通用性的結(jié)構(gòu)，分析非均勻結(jié)構(gòu)強(qiáng)化脈動(dòng)熱管性能的機(jī)理，獲得不同條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是未來(lái)研究的關(guān)鍵。為了輔助對(duì)非均勻管徑OHP 研究的總結(jié)，主要參數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總在表2中。

表2 非均勻截面尺寸脈動(dòng)熱管的研究Table 2 Research on oscillating heat pipe with non-uniform cross-section size

續(xù)表2

續(xù)表2

1.2.3 止回閥 OHP 運(yùn)行過(guò)程中隨機(jī)出現(xiàn)的工質(zhì)停頓、反轉(zhuǎn)和振幅小等現(xiàn)象，導(dǎo)致其傳熱性能降低[116]。Miyazaki 等[117]提出了帶止回閥的OHP，可促使工質(zhì)單向循環(huán)、提升燒干極限。Wan 等[116,118-119]分別在OHP 蒸發(fā)段和冷凝段集成隔膜式止回閥，可促使工質(zhì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單向流動(dòng)，提升傳熱性能，不同條件下可使熱阻降低20.35%～31.28%，但當(dāng)止回閥對(duì)工質(zhì)流動(dòng)的促進(jìn)方向和OHP 自身流向相反時(shí)出現(xiàn)傳熱性能下降的情況；在實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上建立了止回閥OHP 在對(duì)稱加熱時(shí)的數(shù)學(xué)模型。Thongdaeng等[120]通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)研究了頂部加熱模式下帶止回閥的OHP 內(nèi)部流型和傳熱特性，在蒸發(fā)器溫度為125℃、傾角為90°時(shí)，最大熱通量可達(dá)2670.427 W/m2。左洪桃等[121]研究了止回閥數(shù)量對(duì)OHP 傳熱性能的影響，熱流隨止回閥比的增加而增大。Meena 等[122-123]、Supirattanakul 等[124]、Bhuwakietkumjohn 等[125-127]、Rittidech 等[128]和Ando等[129]通過(guò)傳熱和可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)帶止回閥的OHP 在不同傾角、運(yùn)行溫度、工質(zhì)、充液率和重力等條件下的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，止回閥的布置應(yīng)該使其對(duì)工質(zhì)流動(dòng)的促進(jìn)方向和OHP 自身流向相同，且強(qiáng)化OHP 傳熱性能的效果受操作條件的影響較大。止回閥與脈動(dòng)熱管的集成較為簡(jiǎn)單，可以與前述結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式耦合，進(jìn)一步提升強(qiáng)化效果。

對(duì)于內(nèi)部新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管，不論是內(nèi)表面結(jié)構(gòu)和浸潤(rùn)性修飾，還是通道結(jié)構(gòu)或布置方式的異型和非均勻設(shè)計(jì)，以及集成止回閥，都需要與工質(zhì)和操作條件等相匹配，才能最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)強(qiáng)化作用。此外，大多數(shù)研究涉及的脈動(dòng)熱管參數(shù)和操作條件有限，難以得到系統(tǒng)的結(jié)論，阻礙了更精確理論模型的發(fā)展。

2 脈動(dòng)熱管外部新結(jié)構(gòu)

為了強(qiáng)化換熱以及適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境和工作要求，研究人員對(duì)脈動(dòng)熱管外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部或整體改進(jìn)[24,30,130]，或者與擴(kuò)熱板[131-132]、翅片[133-134]和泡沫金屬[135]等耦合，設(shè)計(jì)具有不同結(jié)構(gòu)的新型脈動(dòng)熱管，并對(duì)改進(jìn)后的新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了大量的研究[136-138]。

2.1 蒸發(fā)（冷凝）端新結(jié)構(gòu)

對(duì)OHP 蒸發(fā)端或冷凝端進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以增強(qiáng)冷熱端壓差，促進(jìn)工質(zhì)循環(huán)，從而提升傳熱性能[139]。Sedighi 等[139]在蒸發(fā)段添加如圖6(a)所示的支路，數(shù)值分析和可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明附加支路可以促進(jìn)工質(zhì)的單向循環(huán)，部分冷凝回流工質(zhì)與附加分支熱流體的混合可以降低蒸發(fā)段溫度；通過(guò)傳熱實(shí)驗(yàn)對(duì)比了帶附加支路OHP與常規(guī)OHP的性能，熱阻平均下降11%～20%。Kato 等[28]在單直管OHP 冷凝段頂部采用厚度為0.08 mm 的乳膠片，以釋放OHP 振蕩過(guò)程中內(nèi)部體積波動(dòng)引起的壓力變化。曹濱斌等[140-141]提出冷凝端頂部添加擴(kuò)容室的擴(kuò)容型OHP，如圖6(b)所示，能夠降低冷凝端壓力以增大冷熱端壓差，有效提升OHP 啟動(dòng)性能，增大擴(kuò)容室體積可以進(jìn)一步提升啟動(dòng)和傳熱性能；但由于擴(kuò)容室和OHP 僅通過(guò)喉管連接，加熱功率較高時(shí)過(guò)多工質(zhì)滯留在擴(kuò)容室，傳熱性能下降；基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，OHP 運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)“蝴蝶效應(yīng)”、自組織等具有混沌力學(xué)特征的現(xiàn)象。Wang 等[142]提出了具有周期性漲縮式冷凝器的OHP，數(shù)值模擬結(jié)果表明，漲縮式冷凝器可以引起主流分離并破壞熱邊界層、提高汽液塞振蕩頻率，有助于提升OHP 傳熱性能，增幅可達(dá)45%。Davari 等[143]對(duì)比了具有直管、立式和水平波紋管冷凝段的OHP性能，如圖6(c)所示，水平波紋管結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)冷凝液滴的形成，傳熱系數(shù)最高。

為適應(yīng)不同冷、熱源工況，對(duì)冷凝端或蒸發(fā)端結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以保證緊密接觸。Nagasaki 等[144]將管式OHP 蒸發(fā)端替換為帶有圓形通道的銅板，研究了不同工質(zhì)、熱負(fù)荷和傾角對(duì)壁溫波動(dòng)的影響，揭示了水為工質(zhì)時(shí)的工作特性，如間歇性振蕩和熱虹吸行為。屈健等[24,30,145-146]研究了平板蒸發(fā)器OHP 在不同傾角、工質(zhì)和充液率下的啟動(dòng)和傳熱性能，豎直放置時(shí)性能最佳，隨充液率增加性能下降，30%時(shí)啟動(dòng)性能最優(yōu)。王亞雄等[106,147]設(shè)計(jì)了具有雙螺旋結(jié)構(gòu)冷凝端的新型OHP，螺旋管纏繞在流通冷卻水的銅管上，研究了不同傾角和加熱功率下的啟動(dòng)和傳熱性能，熱阻隨加熱功率增大而減小，90°時(shí)啟動(dòng)和傳熱性能最佳，最低熱阻可達(dá)0.117℃/W，0°最差。

為了提升冷凝段外部散熱性能，Qu等[36-37]、范是龍[148]在OHP 冷凝段的外側(cè)安裝了銅翅片。陸謙逸[1]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，翅片式OHP相比無(wú)翅片OHP啟動(dòng)時(shí)間更短，熱阻更小。夏侯國(guó)偉等[149]設(shè)計(jì)了多脈動(dòng)冷端與翅片耦合的結(jié)構(gòu)，相比單片板式OHP，啟動(dòng)和傳熱性能顯著提升，冷端啟動(dòng)順序?yàn)橄戎虚g后兩側(cè)，一定條件下多脈動(dòng)冷端OHP 蒸發(fā)段的溫度比單片板式OHP 低28℃。Mahajan 等[150-151]的研究表明，用于翅片式OHP 的翅片效率大于2 時(shí)，可有效強(qiáng)化換熱。鄧阿強(qiáng)等[152-153]對(duì)翅片板式OHP 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，如圖6(d)所示，熱源面積和布置方式都會(huì)影響傳熱效果，與水冷的板式OHP 不同的是，翅片式板式OHP 啟動(dòng)后溫度先緩慢上升后達(dá)到穩(wěn)定。李志等[68-69]研究了加熱功率、充液率、工質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)翅片板式OHP 性能的影響，增大翅片面積可以有效降低加熱段溫度，相比小翅片最多可降低10℃，但熱阻隨之增大。

圖6 脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端和冷凝端新結(jié)構(gòu)[133-134,139-141,143,151-152,162]Fig.6 New structure of oscillating heat pipe evaporator and condenser[133-134,139-141,143,151-152,162]

上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)只針對(duì)脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端或冷凝端，同時(shí)針對(duì)二者進(jìn)行改進(jìn)可以更大程度滿足換熱和應(yīng)用需求。Maydanik 等[154-155]研究了帶翅片和擴(kuò)熱板OHP 的傳熱性能，5～250 W 范圍內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，250 W 均勻熱負(fù)荷時(shí)可達(dá)最小熱阻0.32℃/W。黃坤榮等[133-134]對(duì)該類(lèi)型OHP 翅片布置方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，如圖6(e)所示，翅片中心為最佳管孔位置，最佳翅片間距為6 mm，翅片總面積不變情況下增加翅片尺寸可以降低熱端溫度但對(duì)流換熱性能下降。胡靚靚[156]還發(fā)現(xiàn)總面積不變而增加翅片高度會(huì)導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降，增加翅片面積時(shí)增加翅片數(shù)量是更優(yōu)的選擇。Burban 等[157]、Tseng 等[158]、周智程等[159]也對(duì)具有擴(kuò)熱板和翅片的OHP 進(jìn)行了研究，不同參數(shù)和工況下的穩(wěn)定性和傳熱性能優(yōu)于常規(guī)OHP。此外，研究人員對(duì)冷熱端均添加擴(kuò)熱板的OHP 進(jìn)行了探索。Liang 等[160]將長(zhǎng)距離低溫OHP 的冷熱段與凹槽銅塊焊接，研究了不同充液率、加熱功率條件下OHP 熱導(dǎo)率的變化，冷凝器溫度為28 K、充液比為30.7%時(shí)，OHP 有效熱導(dǎo)率可達(dá)30854 W/(m·K)。曲偉等[131-132]對(duì)嵌入式OHP 擴(kuò)熱板和角管板式OHP 傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，二者達(dá)到的最大熱流分別為32 和26 W/cm2，最小熱阻分別為0.4 和0.195℃/W，并通過(guò)數(shù)值模擬探究了不同工況對(duì)其流動(dòng)傳熱特性的影響。

除了擴(kuò)熱板、翅片等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究人員還利用螺旋管、泡沫金屬等結(jié)構(gòu)的傳熱優(yōu)勢(shì)對(duì)脈動(dòng)熱管進(jìn)行改進(jìn)[135,161]。Yeboah 等[130,137]將螺旋管OHP 與相同條件下的單匝OHP 進(jìn)行對(duì)比，螺旋管蒸發(fā)段體積更大能夠容納更多工質(zhì)，可以對(duì)更高的熱輸入進(jìn)行熱管理。Sriudom等[162]研究了蒸發(fā)段溫度、螺距和工質(zhì)對(duì)如圖6(f)所示的螺旋管OHP 內(nèi)部流型和傳熱特性的影響，蒸發(fā)段存在氣泡流、段塞流、環(huán)狀流和分層波狀流四種流型，增大螺距會(huì)導(dǎo)致傳熱性能下降，螺距為1 cm、蒸發(fā)溫度為90℃時(shí)熱通量最大。Siriwan 等[161]基于螺旋管OHP 換熱器的瞬態(tài)條件對(duì)其進(jìn)行傳熱預(yù)測(cè)，從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面研究了OHP瞬態(tài)溫度曲線、傳熱曲線和OHP換熱器傳熱曲線，采用Clank-Nicolson 有限差分方法對(duì)瞬態(tài)模型進(jìn)行求解，成功地模擬了螺旋管OHP 的傳熱特性。華超[135]使用泡沫金屬腔體代替OHP 的冷熱端，簡(jiǎn)化后的理論模型（蒸發(fā)段：泡沫金屬池沸騰換熱關(guān)聯(lián)式；冷凝段：多孔介質(zhì)冷凝換熱關(guān)聯(lián)式；絕熱段：近似為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)）計(jì)算表明，泡沫金屬部分的熱阻僅占總熱阻的20%，相比常規(guī)OHP 熱阻降低接近一半，大幅提升傳熱性能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬進(jìn)行了驗(yàn)證；泡沫金屬OHP 能夠滿足高熱通量、多熱源或熱源不均的散熱需求，且溫度均勻性和穩(wěn)定性更好。包康麗等[163]研究發(fā)現(xiàn)傾角增大可以提升泡沫金屬OHP 傳熱性能和溫度均勻性，且受傾角影響比常規(guī)OHP 小。劉建紅等[164]將兩個(gè)OHP 耦合，協(xié)振OHP 和主體OHP 正交分布，相比單OHP，耦合式OHP 由于兩個(gè)OHP 間相互激勵(lì)的脈動(dòng)而有效強(qiáng)化換熱，但隨熱源溫度升高強(qiáng)化效果變?nèi)酢?/p>

對(duì)脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端或冷凝端進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，或與擴(kuò)熱板、翅片、泡沫金屬等結(jié)構(gòu)耦合，是提升傳熱性能、拓寬應(yīng)用范圍的有效措施，但不可避免導(dǎo)致體積增大等問(wèn)題，需要根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法和參數(shù)。

2.2 新型管路結(jié)構(gòu)

管路結(jié)構(gòu)是脈動(dòng)熱管的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，且管路的改變較為簡(jiǎn)單、樣式多樣，如何對(duì)管路進(jìn)行合理改進(jìn)以提升脈動(dòng)熱管性能、適應(yīng)工作需求，目前已經(jīng)有大量的探索[36-37,148,165-169]。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械由于其特殊的旋轉(zhuǎn)工況，給散熱帶了挑戰(zhàn)。Qian 等[170-171]采用的是單回路OHP。而Aboutalebi 等[172]首次提出了花瓣?duì)畹男D(zhuǎn)閉式OHP，旋轉(zhuǎn)工況產(chǎn)生的離心力可以促進(jìn)中心冷凝端工質(zhì)回流至外部蒸發(fā)端，從而延緩燒干極限，提高OHP 熱效率；隨轉(zhuǎn)速增加，傳熱性能和燒干極限進(jìn)一步提高，所有轉(zhuǎn)速下，最佳充液率為50%。對(duì)如圖7(a)所示的旋轉(zhuǎn)OHP，Kammuang-Lue 等[165]還發(fā)現(xiàn)增加匝數(shù)可以降低冷熱端之間的絕對(duì)熱阻，但工質(zhì)循環(huán)阻力增大，增加了單位面積的熱阻。Shafii等[173]研究了熱輸入、轉(zhuǎn)速和工質(zhì)等參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)OHP 熱阻的影響，證明旋轉(zhuǎn)OHP 可以有效冷卻旋轉(zhuǎn)裝置，并通過(guò)建立相關(guān)性來(lái)預(yù)測(cè)其熱流量，但還需要更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以提升預(yù)測(cè)精度。

針對(duì)局部熱量向四周傳遞的問(wèn)題，Kelly 等[166]設(shè)計(jì)了如圖7(b)所示的徑向OHP，可以有效擴(kuò)散集中的熱量，相比純金屬導(dǎo)熱，在30 W 熱輸入下加熱器溫度降低了23℃，但難以將熱量傳遞到OHP 邊緣，提高充液率可以降低蒸發(fā)段熱阻但對(duì)冷凝段熱阻幾乎沒(méi)有影響，需要進(jìn)一步提高冷熱端之間的熱傳輸能力；此外，通過(guò)分形樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的二次通道可以充分利用給定的表面積增強(qiáng)蒸發(fā)端傳熱。Laun等[174]發(fā)現(xiàn)在一側(cè)中心加熱另一側(cè)冷卻的徑向OHP可以在高熱通量下運(yùn)行，但冷熱源之間熱量的直接傳遞使得啟動(dòng)功率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)OHP；在冷卻塊和OHP 之間加銅墊片可以降低啟動(dòng)功率，但冷卻面積的縮小使得總體換熱性能降低。Zhao 等[136,175-176]研究了發(fā)散結(jié)構(gòu)OHP 的熱性能，啟動(dòng)溫度隨充液率增加先升高后保持不變；各支路傳熱性能無(wú)明顯差異，但不代表整體傳熱性能更好，通過(guò)脈動(dòng)和交替加熱兩種模式可有效提升傳熱性能。

圖7 新型管路結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管[36-37,148,165-169]Fig.7 Oscillating heat pipe with new pipeline structure[36-37,148,165-169]

閉式脈動(dòng)熱管相對(duì)于開(kāi)式更容易啟動(dòng)，傳熱性能更好，但U形彎頭阻礙了工質(zhì)循環(huán)，且容易發(fā)生局部燒干[167-168,177]。王宇等[167-168]基于對(duì)閉式OHP 兩相流型和傳熱特性的分析，提出了如圖7(c)所示的多通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)OHP，有效促進(jìn)工質(zhì)流動(dòng)、增加工質(zhì)流通回路，具有更好的穩(wěn)定性和傳熱性能以及更高的傳熱極限。夏侯國(guó)偉等[78,80,178]、許登科等[177]、梁玉輝[179]和史維秀等[180]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了不同工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)下并聯(lián)型管式和板式OHP 的啟動(dòng)和傳熱特性。史維秀等[181]還通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并聯(lián)閉式型OHP 為溫度漸進(jìn)式啟動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中工質(zhì)流型為冷凝端塞狀流、蒸發(fā)端環(huán)狀流并存的混合流，且隨加熱功率增加環(huán)狀流向冷凝端移動(dòng)。

在傳統(tǒng)脈動(dòng)熱管的管路中添加連通管，可以提供額外的工質(zhì)流道，促進(jìn)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)，并能在一定程度上增強(qiáng)擾動(dòng)，相當(dāng)于特殊結(jié)構(gòu)的止回閥[182-183]。Liu等[184]設(shè)計(jì)了雙蛇形通道平板OHP，在較寬工況范圍內(nèi)具有良好的啟動(dòng)和傳熱性能，兩個(gè)串聯(lián)段的傳熱和工質(zhì)流動(dòng)既相互合作又相互競(jìng)爭(zhēng)。范是龍[148]在此基礎(chǔ)上添加了如圖7(d)所示的公共連通管，能夠促進(jìn)工質(zhì)在兩側(cè)管路間的流動(dòng)，降低啟動(dòng)熱負(fù)荷，且傳熱性能良好，能夠適應(yīng)多冷、熱源的工況。Ebrahimi 等[182]在常規(guī)平板OHP 中添加了連通管，利用通道互聯(lián)的新思想，減小了工質(zhì)單向流動(dòng)的阻力，促進(jìn)單向循環(huán)，且連通管和主管中工質(zhì)的混合破壞了主管的熱邊界層，有效增加總傳熱，最大增量約為24%。進(jìn)一步，周春鵬[183]研究了連通管的位置和數(shù)量對(duì)OHP 傳熱性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)段出口或冷凝段的連通管在不同程度上抑制了整體定向循環(huán)，會(huì)出現(xiàn)傳熱性能惡化的情況；在冷凝段中心布置連通管，能在較寬工況范圍內(nèi)起到優(yōu)化作用，熱阻最大可降低30%，在冷凝段布置連通管的位置越高，優(yōu)化作用越弱；同時(shí)在冷凝段中心和蒸發(fā)段出口布置連通管，會(huì)導(dǎo)致傳熱性能急劇惡化。

特斯拉式止回閥由于其獨(dú)特的幾何形狀和連接點(diǎn)使得反向流動(dòng)阻力遠(yuǎn)大于正向，可以作為被動(dòng)性質(zhì)的微型泵[169]。Thompson 等[169]在平板OHP 中采用了特斯拉式止回閥，如圖7(e)所示，可以有效促進(jìn)單向循環(huán)，且效果隨熱輸入的增加而提升，整體傳熱性能可提高15%～25%，但需要優(yōu)化特斯拉閥的設(shè)計(jì)、數(shù)量和集成方式。Fairley 等[185]通過(guò)時(shí)頻分析研究了有無(wú)特斯拉閥對(duì)平板OHP 性能的影響，結(jié)果表明，無(wú)特斯拉閥OHP 的溫度信號(hào)包含更大振幅和更寬頻率范圍的振蕩，說(shuō)明特斯拉閥通過(guò)促進(jìn)流動(dòng)減少了蒸發(fā)器溫度間歇性大幅振蕩的發(fā)生，且特斯拉閥使得高熱通量下的OHP 具有更強(qiáng)的循環(huán)流一致性。de Vries 等[138]為單回路OHP 設(shè)計(jì)了新型特斯拉閥，通過(guò)單相模擬和穩(wěn)態(tài)兩相流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其功能和雙極性，特斯拉閥產(chǎn)生的雙極性導(dǎo)致不同方向的流速差異為25%，熱阻降低了14%。

研究人員還提出了其他管路結(jié)構(gòu)的新型脈動(dòng)熱管。為降低重力對(duì)OHP 的影響，Hathaway 等[186]設(shè)計(jì)了冷凝段匝數(shù)為14、蒸發(fā)段為20 的匝數(shù)不均勻OHP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不均勻OHP 的重力依賴性小，可以在負(fù)垂直位置啟動(dòng)，高熱負(fù)荷時(shí)的傳熱性能與正垂直位置相當(dāng)，但低熱負(fù)荷時(shí)較低。Tseng 等[187]將兩根管焊接構(gòu)成雙管OHP，引入額外的不平衡壓力、毛細(xì)力和重力，在負(fù)垂直位置仍可以啟動(dòng)且最低熱阻僅為0.0729℃/W，相比單管OHP，140 W 加熱時(shí)雙管OHP 的有效熱導(dǎo)率提升了54.6%。Kato 等[28]實(shí)驗(yàn)研究了單開(kāi)口直管OHP 的傳熱特性，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)來(lái)研究不同熱傳輸機(jī)制，結(jié)果表明，由于傳熱管和儲(chǔ)液器之間的振蕩運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的冷熱工質(zhì)交換，顯著強(qiáng)化了換熱。Liang 等[160]將彎曲成S 形的銅管用于長(zhǎng)距離低溫OHP 絕熱段。Qu 等[36-37]設(shè)計(jì)了絕熱段為氟橡膠材料的混合柔性O(shè)HP，研究了改變冷熱端空間布置導(dǎo)致的如圖7(f)所示的絕熱段變形（Ⅰ型、階梯型、倒U 型和N 型）對(duì)OHP 傳熱性能的影響，結(jié)果表明，混合柔性O(shè)HP 具有較高的空間靈活性，絕熱段的彎曲略微降低了OHP 啟動(dòng)和傳熱性能，傳熱性能從高到底分別為Ⅰ型、階梯型、倒U 型和N 型；當(dāng)蒸發(fā)段溫度由高到低變化時(shí)，規(guī)律相反。謝付波[188]通過(guò)數(shù)值模擬研究了肘形和圓形結(jié)構(gòu)對(duì)OHP 啟動(dòng)時(shí)間和振蕩頻率的影響，在肘形蒸發(fā)端作用下啟動(dòng)時(shí)間變短，傳熱系數(shù)更高，而肘形冷凝端對(duì)工質(zhì)流動(dòng)阻力的影響較大。

相比脈動(dòng)熱管內(nèi)通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)在多個(gè)方面的協(xié)同強(qiáng)化作用，外通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)只能從促進(jìn)工質(zhì)循環(huán)、增強(qiáng)擾動(dòng)的角度強(qiáng)化傳熱性能，但外通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本和難易程度低、穩(wěn)定性好以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 三維脈動(dòng)熱管

面對(duì)高均溫需求、高熱通量、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的散熱工況，傳統(tǒng)的二維脈動(dòng)熱管有時(shí)難以滿足要求，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用工況的管式和板式三維脈動(dòng)熱管應(yīng)運(yùn)而生。

為了增加復(fù)雜空間內(nèi)的傳熱自由度，Qu等[189-190]將二維OHP 彎曲成多層三維OHP，4 層OHP 的啟動(dòng)和傳熱性能優(yōu)于其他層數(shù)OHP，且在50%充液率時(shí)達(dá)到最佳；隨著冷卻風(fēng)速增加和傾角減小，啟動(dòng)溫度降低，燒干極限提升；只有傾角對(duì)不同層沿長(zhǎng)度方向的熱阻有顯著影響，表層與內(nèi)層的熱阻差隨傾角的減小而增大。此外，Qu 等[191]對(duì)比了三維OHP和多個(gè)二維OHP 與石蠟的耦合性能，石蠟/三維OHP 比石蠟/多個(gè)二維OHP 需要更多的時(shí)間完全熔化，而固化時(shí)間更短，說(shuō)明三維OHP 相對(duì)于多個(gè)二維OHP 管具有更好性能。Ling 等[192-193]在多層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了葉狀三維OHP，相同工況下電子器件表面溫度比多層OHP低2℃，傳熱性能更優(yōu)。

花型三維脈動(dòng)熱管：Chen 等[194-195]設(shè)計(jì)了蒸發(fā)段呈花瓣?duì)?、冷凝段呈圓筒狀置于下部的花型OHP，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)花型OHP 啟動(dòng)和運(yùn)行性能良好，最低熱阻可達(dá)0.14℃/W，壁溫波動(dòng)幅度與工質(zhì)比熱容呈正相關(guān)。Czajkowski 等[196]將蒸發(fā)段和冷凝段均為花瓣?duì)睢⒔^熱段呈筒狀的花型OHP 應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中較高的溫度幅度與獲得從蒸發(fā)端到冷凝端方向上引起段塞內(nèi)驅(qū)流所需的壓力水平有關(guān)，這影響工質(zhì)流量的增加；離心加速度達(dá)到5g可有效改善OHP傳熱性能，增加工作壓力也能夠降低熱阻，最低熱阻僅為0.012℃/W。

管狀三維脈動(dòng)熱管：Sarangi 等[197]將銅管內(nèi)置于圓柱形蒸發(fā)器和冷凝器外殼內(nèi)構(gòu)成管狀三維OHP，實(shí)驗(yàn)研究表明，充液率影響了最大熱負(fù)荷，而與啟動(dòng)熱負(fù)荷無(wú)關(guān)，最佳充液率取決于工質(zhì)和操作溫度，最小熱負(fù)荷可達(dá)0.95℃/W。蘭晗暉[198]設(shè)計(jì)的管狀三維OHP 在同軸圓管中間通過(guò)銅絲構(gòu)成排布緊密的環(huán)狀平行通道，能夠有效提升OHP 傳熱性能和溫度均勻性，實(shí)驗(yàn)研究表明，充液率為55%時(shí)達(dá)到最小熱阻0.131℃/W，在傾角45°～90°范圍內(nèi)有著良好的反重力特性，隨著功率的增大工質(zhì)振蕩由高振幅低頻率向低振幅高頻率轉(zhuǎn)變，并通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)OHP 熱阻進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。Qu 等[199]制作的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)三維OHP 易于啟動(dòng)，傳熱性能良好；隨匝數(shù)增加、充液率減小，軸對(duì)稱OHP 傳熱性能提升，傾角為60°、加熱功率低于80 W 時(shí)熱阻最??；完全振蕩后，軸對(duì)稱OHP具有良好的抗重力性。

針對(duì)不同水平面間傳熱問(wèn)題，汪健生等[200-201]提出具有水平蒸發(fā)段和冷凝段結(jié)構(gòu)的三維OHP，數(shù)值模擬研究了不同加熱功率和充液率對(duì)OHP 熱性能的影響，無(wú)量綱臨界啟動(dòng)高度隨加熱功率的增加而減小，無(wú)量綱高度越大，熱性能越好。李德輝等[202]設(shè)計(jì)了蒸發(fā)段垂直其他管路所在平面的三維OHP，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)R410a 為工質(zhì)時(shí)啟動(dòng)性能最佳，縮小冷熱端溫差能小幅降低啟動(dòng)溫度和溫度波動(dòng)，但會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間。

為了增加緊湊空間內(nèi)的管路數(shù)，Borgmeyer等[203]將管路包裹在冷熱源兩側(cè)構(gòu)成立體環(huán)形OHP，與傳統(tǒng)OHP 不同的是，20 匝OHP 的熱阻隨輸入功率增加而減小，10 匝OHP 則幾乎不變或略微增加；兩種匝數(shù)OHP 的熱阻隨操作溫度升高而減小；充液率越小，工質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻率越高，但熱傳輸能力降低。李驚濤等[89]設(shè)計(jì)了立體環(huán)形OHP，工質(zhì)在豎直的蒸發(fā)段受熱向上流動(dòng)，另一側(cè)冷凝段的工質(zhì)由于重力作用向下流動(dòng)，適當(dāng)充液率下OHP 啟動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單向流動(dòng)，且具有更寬的工作范圍和更好的傳熱性能。He 等[87]通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)立體環(huán)形OHP 的性能和流型進(jìn)行研究，隨熱負(fù)荷的增加，環(huán)形OHP 啟動(dòng)時(shí)間縮短，熱阻減小，但在充液率為40%時(shí)出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。Wan 等[119]研究了重力、止回閥和非對(duì)稱加熱對(duì)立體環(huán)形OHP 換熱性能的影響，任意兩個(gè)因素組合都可以強(qiáng)化傳熱，但如果止回閥促進(jìn)的流向和非對(duì)稱加熱方式產(chǎn)生的自發(fā)循環(huán)方向相反，則熱阻變大，垂直底部加熱時(shí)更明顯。

對(duì)于板式OHP，在內(nèi)部設(shè)置多層或厚度方向交錯(cuò)分布的通道也可以增加單位體積的通道數(shù)。Cheng 等[204]設(shè)計(jì)了平板兩側(cè)對(duì)稱加工通道、厚度方向通道交錯(cuò)分布的兩種三維OHP，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)OHP 的熱阻取決于加熱功率和工作溫度，最小熱阻僅為0.078℃/W，并建立用于預(yù)測(cè)熱管性能的數(shù)學(xué)模型。李楠[5]對(duì)平板兩側(cè)通道交叉分布的三維OHP 研究發(fā)現(xiàn)，傾角和加熱功率對(duì)熱管性能影響較大，隨傾角增加熱阻逐漸減小。Thompson 等[205-207]對(duì)三維板式OHP 進(jìn)行了可視化傳熱實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究，平板兩側(cè)通道交錯(cuò)分布OHP 的啟動(dòng)伴隨著溫度場(chǎng)弛豫和熱振蕩，三維緊湊設(shè)計(jì)拓寬了應(yīng)用范圍，最低熱阻僅為0.07℃/W；厚度方向通道交錯(cuò)分布的OHP 在加熱面積較大時(shí)方向依賴性較小，加熱面積減小，蒸發(fā)端熱阻和溫度振蕩幅度增加，有效熱導(dǎo)率隨熱輸入的增加而提高，熱輸入為0.3 kW 時(shí)接近15000 W/(m·K)，與外部主動(dòng)冷卻耦合后可提供10 kW 數(shù)量級(jí)的峰值傳熱率。Ibrahim 等[29]制作了具有內(nèi)部多層通道的板式OHP，通道結(jié)構(gòu)與Qu 等[189-191]提出的多層三維OHP 相似，大工況范圍內(nèi)多層通道均有效表明OHP 能夠以多層形式工作。Smoot等[208]設(shè)計(jì)了每層均為閉式OHP 的多層板式OHP，研究表明，通道層的加入可以提高總功率、燒干極限和熱導(dǎo)率，傳熱性能最大增幅為單層到二層的4.61 倍；堆疊的獨(dú)立層可能對(duì)方向敏感性較大，但有助于低功耗運(yùn)行，同時(shí)保持良好的高功耗性能，互連層是方向無(wú)關(guān)性的關(guān)鍵；三層OHP 沒(méi)有明顯的溫度波動(dòng)差異，表明熱傳導(dǎo)效應(yīng)不適用于堆疊層。

此 外 ，前 面 所 述 的 螺 旋 結(jié) 構(gòu)OHP[106,130,137,147,161-162]，帶平板蒸發(fā)器或擴(kuò)熱板以及翅片散熱器的OHP[24,30-31,133-134,145-146,154-155,157-158]，具有臺(tái)階型結(jié)構(gòu)蒸發(fā)端和多脈動(dòng)冷凝端的OHP[149]，均具有三維結(jié)構(gòu)，在此不加贅述。

上述對(duì)三維脈動(dòng)熱管研究的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和圖片在表3中做了整理。

表3 三維脈動(dòng)熱管Table 3 Three-dimensional oscillating heat pipe

續(xù)表3

針對(duì)高熱通量、緊湊性、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜等散熱、傳熱應(yīng)用需求，對(duì)脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可謂百家爭(zhēng)鳴，提出了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動(dòng)熱管，推動(dòng)了脈動(dòng)熱管技術(shù)的發(fā)展。

3 新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管應(yīng)用研究

考慮到脈動(dòng)熱管優(yōu)良的傳熱和運(yùn)行特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域來(lái)增強(qiáng)傳熱，效果顯著，新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管是在適應(yīng)實(shí)際工況、進(jìn)一步強(qiáng)化換熱的基礎(chǔ)上提出的。

3.1 熱管理

3.1.1 LED熱管理 LED相比傳統(tǒng)光源具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，雖然總發(fā)熱量不高，但熱通量可達(dá)106W/m2[68]。而溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致LED 發(fā)光效率下降、顏色發(fā)生紅移和壽命縮短等問(wèn)題，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用[2]。

板式OHP 可以與LED 芯片較好貼合。鄧阿強(qiáng)等[152-153]將翅片板式OHP用于大功率LED 冷卻，不同功率下強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果顯著，溫度均勻；隨著LED 功率和基板面積增大，熱管更容易啟動(dòng)；高溫（40℃）環(huán)境下OHP 仍可有效冷卻，且啟動(dòng)時(shí)間縮短。林梓榮[2]通過(guò)如圖8(a)所示的翅片板式OHP 對(duì)64 W 燈盤(pán)有效散熱，保持最高溫度在70℃以下。李志等[68-69]還研究了不同冷卻方式、熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)和翅片面積對(duì)翅片板式OHP 熱管理性能的影響，結(jié)果表明，自然對(duì)流只能對(duì)功率低于52 W 的LED 有效冷卻，使冷卻效果較優(yōu)的參數(shù)分別為：充液率30%～50%、丙酮為工質(zhì)、三角形截面、1 mm 水力直徑、翅片面積0.24 m2。李楠[5]提出的平板兩側(cè)通道交叉分布的三維OHP 可以對(duì)167 W 功率以下的LED 有效散熱，相同條件下該熱管相比文獻(xiàn)值體積更小，傳熱性能更好。

圖8 新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管用于LED熱管理[2,24,31,146]Fig.8 New structure oscillating heat pipe for LED thermal management[2,,24,31,146]

三維管式脈動(dòng)熱管可以通過(guò)平板蒸發(fā)器與LED 芯片貼合。林梓榮[2]還針對(duì)LED 圓筒燈設(shè)計(jì)了帶翅片的U 型折彎、中間為平板的管式OHP，如圖8(b)所示，可以保持30 W 燈盤(pán)的最高溫度在60℃左右。屈健等[24,31,146]通過(guò)平板蒸發(fā)器帶銅粉吸液芯的三維OHP有效冷卻高功率LED[圖8(c)]，隨傾角增大或充液率減小，LED 背溫降低且光照強(qiáng)度增大，傾角的影響隨功率和充液率的增加而增大。進(jìn)一步，胡靚靚[156]在具有平板蒸發(fā)器的三維OHP 冷凝段添加翅片，并通過(guò)熱阻網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值模擬研究了翅片間距、面積、高度、數(shù)目及管孔位置對(duì)LED 芯片溫度的影響，有助于獲得各因素與LED 芯片溫度之間的關(guān)系。

3.1.2 其他電子器件熱管理 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件趨向集成化、小型化，熱通量急劇增加，且溫度同樣對(duì)電子器件的性能和壽命影響較大，這對(duì)熱管理技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。Miyazaki[209]為筆記本電腦散熱設(shè)計(jì)了直線型和機(jī)翼型混合柔性O(shè)HP，如圖9(a)所示，在轉(zhuǎn)軸處為可彎曲的特氟龍管，可有效將CPU 熱量傳遞到顯示屏后表面進(jìn)行散熱，最大傳熱能力可達(dá)100 W。Qu 等[74]在半導(dǎo)體中嵌入梯形截面通道微平板OHP，可以顯著降低最大局部溫度，提高溫度均勻性，蒸發(fā)器溫度最大降幅可達(dá)34.1%。林梓榮[2]基于OHP 開(kāi)發(fā)了平板蒸發(fā)端設(shè)有翅片，管路呈U型和L型的GPU散熱模組、翅片板式1U 服務(wù)器散熱模組，分別如圖9(b)、(c)所示，性能優(yōu)于傳統(tǒng)熱管。陸謙逸[1]研究了基于翅片板式OHP 的封閉機(jī)柜流場(chǎng)特性，OHP 啟動(dòng)后機(jī)柜內(nèi)的空氣溫度降低，溫度分布更加均勻，OHP 充液率與機(jī)柜發(fā)熱功率相適應(yīng)時(shí)效果更好；對(duì)機(jī)柜冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立簡(jiǎn)化模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可保證功率不超過(guò)1380 W 的機(jī)柜CPU 溫度低于60℃。Maydanik 等[154]將帶擴(kuò)熱板和翅片的立體環(huán)形OHP用于電子冷卻，如圖9(d)所示，驗(yàn)證了不同加熱模式、傾角和工質(zhì)等條件下熱管的可靠性，甲醇確保了在均勻和集中兩種加熱模式下在最寬的熱負(fù)荷適用范圍，但在頂部加熱、水為工質(zhì)時(shí)熱管無(wú)法啟動(dòng)。Dmitrin 等[155]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該OHP具有變和恒定熱導(dǎo)率兩種工作模式，低熱負(fù)荷時(shí)熱阻隨熱負(fù)荷的增加而顯著降低，脈動(dòng)機(jī)制激活后則變化較小直至最小值。如圖9(e)所示，Ling 等[192-193]將葉狀三維OHP 與相變材料耦合，用于電子設(shè)備的冷卻效果優(yōu)于典型多層三維OHP，與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)地板送風(fēng)直接冷卻相比，可以降低50%的熱阻；該耦合模塊用于數(shù)據(jù)中心冷卻，在降低42.5%的熱阻、保證溫度不超過(guò)最大結(jié)溫的同時(shí)，每年能夠節(jié)約186 kW·h的電量。

圖9 新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管用于其他電子器件熱管理[2,154,192-193,209]Fig.9 New structure oscillating heat pipe for other electric thermal management[2,154,192-193,209]

3.1.3 其他熱管理應(yīng)用研究 脈動(dòng)熱管由于其在傳熱和結(jié)構(gòu)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，研究者在其他熱管理領(lǐng)域也開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用研究。

周智程等[159]將帶擴(kuò)熱板和翅片的二維OHP 用于動(dòng)力電池?zé)峁芾?，以混合?1∶1)～(2∶1)之間的乙醇-水為工質(zhì)的OHP 具有更好的啟動(dòng)和傳熱性能；30%充液率、48 W 加熱功率條件下，電池平均溫度可控制在44℃左右，溫差低于1.5℃，均溫性較好。通過(guò)空氣換熱器復(fù)制車(chē)輛環(huán)境，Burban 等[157]證明了如圖10(a)所示的具有擴(kuò)熱板和翅片的三維OHP 是混合動(dòng)力汽車(chē)電池?zé)峁芾淼挠行Ы鉀Q方案，但工質(zhì)必須要與冷卻空氣溫度的工作范圍相適應(yīng)。Qu等[37]研究發(fā)現(xiàn)具有微槽冷熱段、可變形絕熱段以及翅片的混合柔性O(shè)HP 在不同空間布置下傳熱性能良好，為復(fù)雜空間的電池?zé)峁芾硖峁┝艘环N可能的解決方案。Wang 等[30]將平板蒸發(fā)器內(nèi)含燒結(jié)銅顆粒的三維OHP應(yīng)用于聚光光伏電池冷卻，如圖10(b)所示，熱通量為5.88 W/cm2時(shí)可以將電池的溫度保持在57℃以下，這相當(dāng)于法向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的58.8倍。

圖10 新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的其他熱管理應(yīng)用[30,157,210]Fig.10 Other thermal management applications of new structure oscillating heat pipe[30,157,210]

Wu 等[210]設(shè)計(jì)了如圖10(c)所示的OHP 輔助刀架，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)刀架，最高切削溫度可降低10%，還可以減少刀具磨損，使用壽命延長(zhǎng)20%～30%。

Thompson 等[207]將厚度方向通道交錯(cuò)分布的三維平板OHP 集成到電磁發(fā)射器的孔結(jié)構(gòu)中進(jìn)行軸向冷卻，相比于純銅軸向傳熱增加了近4000%，軸向傳熱的大小主要取決于冷凝換熱以及內(nèi)孔材料的最大允許溫度。

3.2 太陽(yáng)能集熱及余熱回收

脈動(dòng)熱管已經(jīng)在太陽(yáng)能集熱器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[194-195]。針對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器的缺陷，Chen等[194-195]受向日葵啟發(fā)設(shè)計(jì)了如圖11(a)所示的花型OHP，蒸發(fā)段采用花瓣形狀充分吸收太陽(yáng)光，冷凝段卷成圓筒狀置于結(jié)構(gòu)下部有效減少占地面積，隨著吸熱板溫度升高，OHP 熱阻最低可降至0.14℃/W，并通過(guò)熱損失理論分析與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，反映各區(qū)域的熱損失；晴天條件下集熱器可以穩(wěn)定運(yùn)行7 h，系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率可達(dá)50%。Rittidech等[211]研究了帶止回閥閉式OHP 的太陽(yáng)能集熱器性能，結(jié)果表明，集熱器效率可達(dá)76%左右，效率的波動(dòng)與時(shí)間、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和圓管表面溫度等有關(guān)，且該集熱器具有無(wú)腐蝕和避免冬季結(jié)冰的優(yōu)點(diǎn)。

圖11 新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管在熱利用方面的應(yīng)用[150,194-195]Fig.11 Application of new structure oscillating heat pipe in heat utilization[150,194-195]

低品位余熱在生活和生產(chǎn)中隨處可見(jiàn)，對(duì)余熱進(jìn)行有效回收并高質(zhì)量再利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也可以作為可再生能源的補(bǔ)充。Meena 等[122-123]制造了基于止回閥OHP 的空氣預(yù)熱器，以降低干燥系統(tǒng)的相對(duì)濕度并回收余熱，增加熱風(fēng)溫度可增強(qiáng)傳熱，增加熱風(fēng)速度則相反，添加止回閥OHP 后空氣預(yù)熱器的相對(duì)濕度從82%～100%降低至54%～72%，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。Mahajan等[151]研究了使用翅片OHP在北美氣候的采暖、通風(fēng)及空調(diào)系統(tǒng)中對(duì)室外和廢氣流之間進(jìn)行熱交換的可行性，結(jié)果表明，OHP 熱回收風(fēng)機(jī)的壓降僅為40 Pa 左右，但能夠?qū)崿F(xiàn)0.48的熱回收效率，可以預(yù)冷/預(yù)熱大于5℃；此外，翅片OHP 熱回收風(fēng)機(jī)可有效降低能耗和運(yùn)營(yíng)成本，年均降低總能耗約16%，但是需要考慮啟動(dòng)和傳熱特性以及方向依賴性。進(jìn)一步，Mahajan 等[150]將翅片OHP 用于如圖11(b)所示的通風(fēng)余熱回收裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填充有70%正戊烷的翅片OHP可以從廢氣流中回收高達(dá)(400±40)W 的熱量，而由翅片引起的額外壓降僅為(6.8±2.0) Pa，風(fēng)扇功耗僅增加1～2 W，相比于裸管OHP 平均熱回收率提高約80%。Zhao 等[136,175-176]將發(fā)散型OHP 用于熱能回收和儲(chǔ)存裝置，研究了不同充液率、工質(zhì)、熱負(fù)荷下的熱管啟動(dòng)和傳熱性能以及各分支傳熱性能分散程度，相比傳統(tǒng)OHP 具有更好的傳熱極限。夏侯國(guó)偉等[79,178]設(shè)計(jì)了平行四邊形截面的并聯(lián)板式OHP、梯形截面單面并聯(lián)槽道OHP 用于空調(diào)能量回收，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了適用的最佳工質(zhì)、冷熱段比例、充液率和風(fēng)速等參數(shù)，傳熱效率相比蛇形OHP 可提升7%～9%，此外，采用+2°左右的安裝微傾角能夠在保證換熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)各季節(jié)通用。

3.3 其他應(yīng)用研究

除上述應(yīng)用研究以外，研究人員還根據(jù)其他各個(gè)領(lǐng)域的熱傳輸需求設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管。

Supirattanakul等[124]在空調(diào)冷卻盤(pán)管前后添加了帶止回閥的立體環(huán)形OHP，如圖12(a)所示，在室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20～27℃范圍內(nèi)、50%相對(duì)濕度條件下，新冷負(fù)荷增加了3.6%，有效減少能耗，OHP 空調(diào)系統(tǒng)的COP和EER值分別可提高14.9%和17.6%。

Yeboah 等[130]將內(nèi)置止回閥的螺旋管式OHP 與圓柱形固體干燥劑填充床系統(tǒng)集成用于等溫吸附，相比單匝閉式OHP 具有更大的蒸發(fā)器，可以容納更多的工質(zhì)，并管理更大的熱輸入，蒸發(fā)器有效熱導(dǎo)率的變化會(huì)影響接觸面處的接觸熱阻和蒸發(fā)器的最大熱輸入量。

在第61 次歐空局拋物線飛行活動(dòng)期間，Mangini等[212]對(duì)比了翅片管式OHP在地面和超/微重力環(huán)境下的散熱性能，地面測(cè)試表明，設(shè)備垂直位置的等效熱阻為0.1℃/W，但在水平位置啟動(dòng)失敗；在微重力期間，浮力的突然消失激活了振蕩的段塞流狀態(tài)，允許OHP 在水平位置工作；超重力時(shí)期能夠消除部分燒干，直到下一個(gè)微重力時(shí)期恢復(fù)正常工作。如圖12(b)所示，Ando等[129]在小型演示衛(wèi)星開(kāi)展了帶止回閥的U 型板式OHP 在軌試驗(yàn)，該熱管成功在軌運(yùn)行且傳熱性能與地面相當(dāng)，四年內(nèi)沒(méi)有觀察到性能下降；初始?xì)庖悍植伎赡軐?dǎo)致熱管啟動(dòng)困難，預(yù)處理是解決初始?xì)庖壕植炕?、保證熱管啟動(dòng)的有效方法。

圖12 新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的其他應(yīng)用[124,129]Fig.12 Other application of new structure pulsating heat pipe[124,129]

振動(dòng)環(huán)境下OHP 工質(zhì)的流動(dòng)是通道毛細(xì)力、冷熱端壓差驅(qū)動(dòng)力、重力以及工質(zhì)流動(dòng)阻力與振動(dòng)施加的推動(dòng)力相互作用的結(jié)果，振頻影響推動(dòng)力的方向，振幅影響推動(dòng)力的大小[32]。周華[32]研究發(fā)現(xiàn)，具有毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)的OHP 與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管相比，對(duì)振動(dòng)環(huán)境的敏感性降低，傳熱性能在振動(dòng)環(huán)境下會(huì)得到不同程度的提升，振頻越小、振幅越大，傳熱性能越好。

相變材料的高潛熱可以儲(chǔ)存大量熱量，而脈動(dòng)熱管的耦合可以彌補(bǔ)相變材料熱導(dǎo)率低的缺陷。Qu 等[191]將石蠟與多層OHP 耦合用于熱管理，相比石蠟/多個(gè)二維OHP，石蠟/多層OHP 需要更多的時(shí)間來(lái)完全熔化石蠟，且熔融過(guò)程中壁面和石蠟的溫度較低，石蠟/多層OHP 的凝固時(shí)間更短，表明石蠟/多層OHP 具有更好的性能。Ling 等[192-193]證明了葉狀OHP 性能的提高有助于提升石蠟/OHP 耦合模塊的冷卻性能，且提升效果隨著加熱功率的增加而增強(qiáng)，但靠近管路附近的石蠟由于OHP 的高導(dǎo)熱性難以熔化。Qu 等[199]構(gòu)建了基于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)三維OHP的潛熱蓄能單元，與傳統(tǒng)熱管相比，蓄熱效率提高了約32%，三維OHP 系統(tǒng)在放熱過(guò)程具有更好的溫度均勻性，有效避免熱量積聚。

本節(jié)介紹了脈動(dòng)熱管在冷卻、太陽(yáng)能熱利用、余熱回收等一些代表性的領(lǐng)域的應(yīng)用研究，應(yīng)用前景良好。但是一些應(yīng)用研究尚處于初級(jí)階段，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用還需要更深入、系統(tǒng)性的研究。

4 總結(jié)與展望

脈動(dòng)熱管由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能好以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和極大的應(yīng)用潛力。面向高熱通量器件、熱能的利用和回收等領(lǐng)域的高導(dǎo)熱性和工況適應(yīng)性需求，脈動(dòng)熱管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)多樣化、功能實(shí)用化等特點(diǎn)，研究人員從強(qiáng)化傳熱和提高工況適應(yīng)性等角度提出了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動(dòng)熱管。本文從強(qiáng)化熱性能的內(nèi)部新結(jié)構(gòu)、適應(yīng)不同工作要求的外部新結(jié)構(gòu)以及新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管應(yīng)用研究三個(gè)方面進(jìn)行歸納總結(jié)，得到的結(jié)論如下。

(1)脈動(dòng)熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以從增強(qiáng)工質(zhì)與壁面換熱、提高循環(huán)驅(qū)動(dòng)力、促進(jìn)工質(zhì)振蕩等方面協(xié)同強(qiáng)化脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和傳熱性能。脈動(dòng)熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)和浸潤(rùn)性修飾，可以有效促進(jìn)液體補(bǔ)充，氣泡的核化、生長(zhǎng)和溢出，及冷凝液滴的形成和脫離，增強(qiáng)工質(zhì)與壁面換熱；通過(guò)通道結(jié)構(gòu)或布置方式的異型和非均勻設(shè)計(jì)，能夠影響初始汽液塞分布和流型變化，引入附加驅(qū)動(dòng)壓差和壓力擾動(dòng)。

(2)對(duì)脈動(dòng)熱管外部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能夠從特定角度強(qiáng)化傳熱。為促進(jìn)循環(huán)并增強(qiáng)擾動(dòng)，以附加支路、連通管和特斯拉閥等形式添加管路，或引入多通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)；在冷凝端頂部添加乳膠片、擴(kuò)容室等，或改進(jìn)為周期性漲縮式冷凝器，以增大冷熱端壓差；通過(guò)管式立體環(huán)形結(jié)構(gòu)、板式多層通道等增強(qiáng)單位體積的傳熱能力；耦合翅片和泡沫金屬等結(jié)構(gòu)的傳熱優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化散熱；為降低重力影響，引入冷熱端匝數(shù)不均、雙管等結(jié)構(gòu)。

(3)上述新型脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效強(qiáng)化傳熱，能夠滿足高熱通量的傳熱需求，而對(duì)于熱管理、熱傳輸和熱利用等領(lǐng)域復(fù)雜工況的應(yīng)用，多種脈動(dòng)熱管外部新結(jié)構(gòu)被提出：為保證與冷熱源接觸而設(shè)計(jì)的擴(kuò)熱板、平板蒸發(fā)器和螺旋管等；設(shè)計(jì)花瓣?duì)罟苈芬赃m應(yīng)旋轉(zhuǎn)工況；針對(duì)局部熱點(diǎn)問(wèn)題的徑向脈動(dòng)熱管；針對(duì)空間復(fù)雜工況，提出了多層管路、冷熱段平行或垂直、可變形絕熱段等三維脈動(dòng)熱管。

相比傳統(tǒng)換熱器甚至傳統(tǒng)熱管，新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管在工況適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和熱傳輸性能等方面更加優(yōu)良，但目前新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的理論與應(yīng)用研究基本處于初級(jí)階段，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還需要更深入、系統(tǒng)的研究，且存在大量關(guān)鍵問(wèn)題亟需解決，主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)對(duì)新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管操作條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究有限，且局限于單一參數(shù)對(duì)其性能的影響，缺乏對(duì)各參數(shù)綜合影響的研究。

(2)缺乏新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管與傳統(tǒng)熱管以及其他改進(jìn)方法的對(duì)比，限制了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的進(jìn)一步發(fā)展。

(3)大多數(shù)研究只考慮了單一的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式，并證明了有效性，合理耦合多種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式，是進(jìn)一步提升脈動(dòng)熱管性能、拓寬應(yīng)用范圍的有效途徑。

(4)對(duì)新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的研究多基于實(shí)驗(yàn)，鮮有對(duì)其運(yùn)行機(jī)制、強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行理論分析，且理論研究由于過(guò)度簡(jiǎn)化存在一定缺陷，能夠反映脈動(dòng)熱管內(nèi)部相變過(guò)程、工質(zhì)流型、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、顯熱傳遞以及潛熱傳遞的更加精確的數(shù)學(xué)模型仍有待建立。

(5)在明晰運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上，面向?qū)嶋H工況設(shè)計(jì)出通用性、加工難度和成本低、壽命長(zhǎng)的新結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管，并獲取最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件。