[科普中国]-槽道热管

简介

自 Grover明确提出热管概念及 Cotter发表热管基础理论以来，热管技术的研究和应用一直受到广泛重视。随着热管技术研究的发展与深入，其重心也已从理论研究转移到应用研究，热管应用研究已经由航天转向地面，由工业转向民用，在太阳能利用、笔记本电脑 CPU散热冷却、冶金能源和建筑节能等领域的应用，也将促进新型热管技术的开发与应用。

对于槽道形式的吸液芯，最早见于 Kemme 在 1966年2和 1969 年3的报告，他指出利用槽道界面张力的作用可以使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能。槽道形式吸液芯热管一经提出，就受到广泛的关注。

槽道热管自从被提出以来，广泛应用于航空航天、电子散热和电磁场、离心场等非惯性场中。用于电子元器件散热是目前热管市场和热管研究最活跃的领域之一，也是本文论述的重点。槽道热管用于电子元器件散热主要有 3 种形式：传统形式、回路形式和槽道阵列形式。

传统形式的槽道热管是指槽道在热管壁面且处于蒸汽腔外部，一般是圆柱状，管内蒸汽和液相工作介质两相逆向流动，从各个槽道产生的蒸汽汇聚于一个蒸汽腔内的热管形式。这种形式的热管使用得较多，研究内容也较为丰富。

槽道热管特性槽道热管，是在实现热管多相传热、热阻更小、传热系数更高等功能的同时， 利用槽道界面张力的作用可以使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能，总体来说有以下特性4：

（1）槽道吸液芯热管不仅继承了普通热管两相流动、 相变传热的优良传热特性，槽道将提供毛细力媒介，更适合微流动、微相变、和微尺度传热传质

（2）槽道热管的毛细回流力由汽液两相界面轴向曲率半径差提供， 作用力方向为槽道延展方向， 且汽液两相直接接触等特点使槽道热管的理论研究更具特点

（3）因其槽道可在管内壁直接加工，热管即可通过挤压等塑性一体成型，利于工业化生产，具有很广阔的应用前景

（4）由于槽道热管重在可微，不仅高效，而且二次加工性能好，适合高效传热传质，可广泛应用与电子散热、超重力场、电磁场等科技领域。

槽道热管的优、缺点优点（1）对于理论研究，槽道热管的吸液芯结构几何外观上比较明晰、随机性较小，因此更适合微流动、微相变和微尺度传热过程的分析，其对于微肋、狭槽类微型能量系统的研究性更明确，针对性更强5。

（2）槽道热管的毛细回流力由汽液两相界面轴向曲率半径差提供，作用力方向为槽道延展方向，且汽液两相直接接触等特点使槽道热管的理论研究更具特点。

（3）从应用角度来看，槽道热管的吸液芯结构是在管内壁加工的一些流体通道，吸液芯结构与壁面为一整体。这一特点带来了两方面的优势：首先，壁面与吸液芯结构之间的热阻较小；其次，二次加工性能好，在弯曲、压扁等加工过程中，不会出现吸液芯结构与壁面剥离甚至脱落现象，保持良好传热性能。

（4）蒸汽与金属接触面积大，从而使得热管具有较小的热阻。蒸发段槽道内的液体三面受热，接触线附近的薄液膜区相变阻力很小。在冷凝段，蒸汽在槽顶凝结后，在径向表面张力作用下，使该部分区域的液膜厚度极小，冷凝换热能力大大加强。

（5）吸液芯结构的各向异性使其在离心场、电磁场等环境下得到应用，发挥更大的作用。

缺点
（1）由于槽道的宽度相对于吸液芯结构的孔隙较大，所能提供的毛细压头较小，逆重力工作能力不强；
（2）由于槽道和蒸汽腔之间连通，在逆流的蒸汽和液体的界面上由于剪切力的作用，会有部分冷凝液被携带到蒸汽空间，就容易造成液体回路的短路，从而降低了热管的传热能力。

理论研究对于槽道热管的理论分析，既有与其它吸液芯形式相同的分析方法，也有针对槽道开展的理论研究。其研究方法主要有三个方面：经验公式法、数值分析法及两种方法的结合5。

经验公式法经验公式法一般是将热管的各个传热过程统一考虑，得到适合于某一特定工程应用的理论模型。这种方法得到的模型便于使用，计算量小，结果相对可靠，适合于工程应用，但需要大量数据支持，适用范围小，热管内部各参数对其传热性能的影响无法获得。随着计算技术的发展，单纯依靠大量数据作为研究基础的经验公式法很难适应电子散热领域千变万化的要求。该方法在 20 世纪 90 年代后，很少单独使用，往往作为其它分析方法的验证、初步设计或概念设计阶段的基础而开展。这里不再赘述。

数值分析方法数值分析方法是指采用有限单元法、有限差分的方法数值求解动量、质量和能量守恒方程，得到热管内部的流动传热传质特性。而计算过程中的各种影响流动、传热和传质的因素均可能得到考虑，分别有：充液量、槽道尺寸和形式、工作温度、工作角度、工作介质种类和热物性等，另外其它一些影响因素也得到了重视，如表面粗糙度、周向表面张力的排液作用、蒸发/冷凝系数、剥离压力（disjoining pressure）和薄液膜区的相变过程等，且发现这些因素在某些情况下可能成为热管传热性能主要的影响因素。数值方法得到的槽道结构吸液芯热管的模型具有信息量大、可涉及内部流动传热传质过程细节的特点，对理解热管运行过程有较大帮助。 对于热管流动和传热过程的数值模拟，目前仍处于发展阶段。由于热管内部过程牵涉多相流、相变传热、毛细驱动力和多孔介质等多个复杂领域，因此目前针对热管开展的数值计算研究并不多，而有赖于相关领域计算技术的进一步发展。一些商业计算软件中对热管的处理方式往往采用简化模型，用一种非线性导热体代替，而未深入其内部研究其工作状况。对于槽道热管的数值模拟，运动界面追踪技术可能成为今后的一个重要的发展方向。

但由于其涉及内部流动传热传质等基本过程，热管本身的传热又涉及三相过程（固相的管壁和吸液芯结构、液相流动和蒸汽流动），同时各研究者所考虑的影响因素，采用的数值方法、研究的对象各不相同，所以难以形成统一的计算程序，使槽道热管的数值分析相对比较困难，周期较长，在实际工程实践中难以得到广泛的应用。另外，由于影响热管流动传热传质的很多因素涉及微尺度传热理论，还有很多不成熟的，甚至未知的因素，因此对槽道热管数值研究的可靠性产生了影响。如三相接触角的大小确定对液相回流的影响很大，但各个研究者在相同情况下所采用的数值也不尽相同，而目前对接触角的研究，特别是精确可靠的试验研究或可视化研究仍存在一定困难。

另外对流动传热传质过程的影响比较大的一些参数，如极性工作介质的蒸发冷凝系数，尽管有近八十年的研究历史，但不同研究者得到的数值可能相差数百倍，而蒸发冷凝系数在小型热管，特别是电子散热用的热管中可能起到比较大的影响。还有一些在宏观领域比较成熟的结论，如关于液相工作介质黏性的理论，但当液相工作介质在轴向微米（µm）级槽道内流动，轴向纳米级薄液膜区域或冷凝段齿顶排液时的流动可能出现明显应力应变非线性关系，这种非线性关系可能受到结构尺寸、温度、壁面材料甚至槽道加工方式的影响，目前微观领域对于这一部分的了解甚少。因此，针对槽道热管建立普遍适用的、准确可靠的模型还有很多工作要做。

结合方法针对上述研究方法存在的一系列问题，目前有一种将数值方法与经验公式相结合的方法，这种方法首先对热管传热过程进行分析，再通过一定的关系与各种传热过程相结合，通过试验得到所需要的经验或半经验公式。这种方法既回避了数值模型大量的计算，又回避了不确定因素的影响，同时弥补了经验公式法过于简单的形式和普适性较差的弊端，但目前该形式的理论模型报道不多，且现有报道均针对传统圆柱状形式的热管，对于目前电子工业散热器所使用的异形热管（弯曲或压扁形式）的模型报道不多5。

槽道结构发展历程自 槽道形式结构热管被提出以来，总共经历了三角形、梯形、矩形、星形和菱形等轴向槽道结构以及螺旋形、 蝶形辐射等各向异形槽道， 最终因其较高的传热特性和良好的二次加工性能， 成为了槽道热管研究发展新的里程碑"对于槽道热管的理论分析，既有与其他吸液芯形式相同的分析方法， 也有针对槽道开展的理论研究"其研究方法主要有三个方面：经验公式法、数值分析法及两种方法的结合6。

经验公式法一般是将热管的各个传热过程统一考虑，得到适合于某一特定工程应用的理论模型。这种方法得到的模型便于使用，计算量小，结果相对可靠，适合于工程应用，但需要大量数据支持，适用范围小， 热管内部各参数对其传热性能的影响无法获得。该方法在20 世纪90 年代后，很少单独使用，往往作为其他分析方法的验证、 初步设计或概念设计阶段的基础而开展。

数值分析方法是指采用有限单元法、 有限差分的方法数值求解动量、质量和能量守恒方程，得到热管内部的流动传热传质特性" 而计算过程中的各种影响流动、传热和传质的因素均可能得到考虑，分别有充液量、槽道尺寸和形式、工作温度、工作角度、工作介质种类和热物性等。 随着槽道热管研究的深入，另外其他微形因素也得到了重视，比如$半月面曲率半径、相间摩擦系数、热流密度等，且发现某些因素在特定情况下， 可以成为影响热管传热性能的主要因素。对于热管流动和传热过程的数值模拟，目前仍处于发展阶段" 由于热管内部过程牵涉多相流、相变传热、毛细驱动力和多孔介质等多个复杂领域，因此目前针对热管开展的数值计算研究并不多，而且有赖于相关领域计算技术的进一步发展"前期研究一般主要是以建立模型、 数值分析为主的应用基础理论研究" 运用数值分析的方法，将梯形微槽道结构传热传质区域划分为宏观和微观，数值计算得出微观区域即微槽道区传热能力极强，证实了微槽道的良好传热特性。

展望槽道热管重在可微。槽道提供毛细力媒介，更适合微流动#微相变和微尺度传热传质，更加适合高效传热传质， 广泛应用与电子散热、超重力场#电磁场等科技领域。槽道热管的理论研究尚未深入与全面，必须和传热传值学研究一道，微尺度、微通道和非平衡热力学等理论的研究深入， 将会促进微槽道热管理论的发展与应用。槽道结构形式历经三角形、矩形和梯形等，其间应用基础理论研究和应用研究的发展，为最新发展起来的 ， 形槽道热管的理论研究提供了经验和依据， 逐步完善了槽道热管理论，为下一步更高效、微尺度的槽道热管研究奠定了基础6。

与其他吸液芯结构相比， 槽道热管可在管内壁通过挤压等塑性一体成型，规格多样，并具有很好的二次加工性能，利于工业化生产，具有很广阔的应用前景，Ω形轴向槽道热管，作为槽道热管发展的新生代，当量导热系数是 360~460KW能达到紫铜的1000 倍，其更加优良的传热特性，可以应用于梯度大、品位低和热值分散的中低温余热回收，提高其回收效率和品质，促进节能减排，推进国家十二五规划的顺利实施中，将是新的亮点 应对 ， 形轴向槽道，作以更加深入的理论研究和应用实践，构建相关数学模型和积累经验方程， 开发相关实验平台，为其尽快能在高效热交换装置中应用、推广，奠定基础。