脈動熱管強(qiáng)化傳熱及其應(yīng)用研究進(jìn)展

　　摘要：脈動熱管作為一種新型熱管技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)簡單、傳熱性能好以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在熱管理、太陽能集熱、余熱回收等熱傳輸領(lǐng)域都極具應(yīng)用潛力。高熱流密度器件、熱能的利用和回收等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對傳熱裝置的傳熱性能和工況適應(yīng)性提出了更高的要求。為進(jìn)一步強(qiáng)化內(nèi)部兩相流傳熱以及適應(yīng)不同工況，結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動熱管應(yīng)運(yùn)而生。針對新結(jié)構(gòu)脈動熱管的研究進(jìn)展，主要從強(qiáng)化傳熱性能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、適應(yīng)不同應(yīng)用需求的外部新結(jié)構(gòu)及新結(jié)構(gòu)脈動熱管的應(yīng)用研究三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。后續(xù)的研究應(yīng)該在明晰運(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出通用性的新結(jié)構(gòu)脈動熱管。

　　關(guān)鍵詞：脈動熱管;新結(jié)構(gòu);優(yōu)化;兩相流;傳熱

　　趙佳騰; 吳晨輝; 戴宇成; 饒中浩， 化工學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-18

　　引 言

　　隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，各種設(shè)備趨向于集成化、小型化和高熱流密度，各個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω咝А⒏呔鶞匦缘纳嵝枨笕找嫣岣遊1]。熱能的高效利用和回收是解決能源可持續(xù)發(fā)展問題的重要途徑。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)動熱管的單向?qū)嵝?，限制了其?yīng)用范圍;傳統(tǒng)毛細(xì)力驅(qū)動熱管的燒干極限較低，工質(zhì)回流能力較弱，不適合長距離熱輸送[2]。脈動熱管(Oscillating heat pipe, OHP)于上世紀(jì) 90 年代由日本學(xué)者 Akachi 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)動力[3]。脈動熱管不僅能夠通過氣液相變傳遞潛熱，而且可以通過汽液塞振蕩傳遞顯熱，相對傳統(tǒng)熱管具有眾多優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單、理論熱輸送距離長、應(yīng)用范圍廣、傳熱極限高、抗重力性能好、啟動迅速、加熱方式靈活等等[4, 5]。脈動熱管在太陽能熱利用、余熱回收、電子冷卻等熱輸送領(lǐng)域是一種簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)的選擇，應(yīng)用前景良好。

　　自脈動熱管提出以來，科研人員對其啟動和傳熱特性、運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究，實(shí)驗(yàn)研究主要是針對流型演變，以及定量分析結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作條件等對脈動熱管啟動和傳熱性能的影響，理論研究通常是建立簡化模型來模擬并定性分析脈動熱管內(nèi)部多相流動和傳熱傳質(zhì)過程[6]。現(xiàn)有綜述大多是對脈動熱管實(shí)驗(yàn)和理論研究的進(jìn)展以及常規(guī)脈動熱管的應(yīng)用研究進(jìn)行總結(jié)，各有側(cè)重，少部分涉及了通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)來強(qiáng)化傳熱[6-10]。近年來，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)、制造和測試了結(jié)構(gòu)多樣的新型脈動熱管，并對各自提出的新結(jié)構(gòu)脈動熱管啟動和傳熱特性及應(yīng)用做了大量研究，但尚無一種通用的結(jié)構(gòu)形式，距離商業(yè)化應(yīng)用前路漫漫。本文對已有研究中涉及脈動熱管結(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)椋航孛嫘螤睢⒅够亻y、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。

　　為了更好地呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)脈動熱管的發(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)脈動熱管的應(yīng)用，希望能夠?yàn)橥ㄓ眯孕陆Y(jié)構(gòu)脈動熱管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

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

　　脈動熱管由于較長的流動通道，增加了啟動熱流密度，限制了其在低熱流密度工況下的應(yīng)用;此外，脈動熱管工質(zhì)的運(yùn)動受到驅(qū)動壓差、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，會一定程度的削弱脈動熱管啟動和傳熱性能[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)是影響脈動熱管啟動和傳熱特性的重要因素[9, 12, 13]?；诿}動熱管工作原理，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)動狀態(tài)和相變傳熱速率[16, 17]。通過調(diào)整通道內(nèi)表面多尺度結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工質(zhì)運(yùn)動調(diào)控和相變傳熱過程強(qiáng)化屬于無源強(qiáng)化手段[18]，調(diào)控表面尺度微結(jié)構(gòu)不僅可以促進(jìn)氣泡的核化、生長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，合理的修飾脈動熱管通道內(nèi)表面，可以有效強(qiáng)化其傳熱性能和啟動特性[22, 23]。

　　1.2 通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　通過異型或非均勻設(shè)計(jì)對脈動熱管通道結(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)動力和工質(zhì)流動阻力，是提升脈動熱管性能的一種簡單有效的方法[9, 25]。

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

　　1.2.2 非均勻截面尺寸 受工質(zhì)密度和表面張力的影響，脈動熱管管徑過大會導(dǎo)致氣液分層，難以形成汽液塞，管徑減小又會增加毛細(xì)阻力[6, 55]，而在非均勻管徑的通道中工質(zhì)在不同區(qū)域所受的流動阻力和驅(qū)動力不同，局部壓差驅(qū)動力會促使管內(nèi)工質(zhì)向阻力小的方向流動，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]。

　　1.2.3 止回閥 由于 OHP 運(yùn)行過程中隨機(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 等人[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。萬珍平等人[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，提升傳熱性能，不同條件下可使熱阻降低 20.35%~31.28%，但當(dāng)止回閥對工質(zhì)流動的促進(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 在對稱加熱時(shí)的數(shù)學(xué)模型。Thongdaeng[120] 等人通過可視化實(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。左洪桃等人[121]研究了止回閥數(shù)量對 OHP 傳熱性能的影響，熱流隨止回閥比的增加而增大。Meena[122, 123]、Supirattanakul[124]、Bhuwakietkumjohn[125-127]、 Rittidech[128]和 Ando 等人[129]通過傳熱和可視化實(shí)驗(yàn)對帶止回閥的 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)該使其對工質(zhì)流動的促進(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。止回閥與脈動熱管的集成較為簡單，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。

　　2 脈動熱管外部新結(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，研究人員對脈動熱管外部結(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)的新型脈動熱管，并對改進(jìn)后的新結(jié)構(gòu)脈動熱管的啟動和傳熱特性進(jìn)行了大量的研究[136-138]。

　　2.1 蒸發(fā)(冷凝)端新結(jié)構(gòu)

　　對 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 等人[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;通過傳熱實(shí)驗(yàn)對比了帶附加支路 OHP 與常規(guī) OHP 的性能，熱阻平均下降 11~20%。Kato 等人[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 振蕩過程中內(nèi)部體積波動引起的壓力變化。曹濱斌等人[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 啟動性能，增大擴(kuò)容室體積可以進(jìn)一步提升啟動和傳熱性能;但由于擴(kuò)容室和 OHP 僅通過喉管連接，加熱功率較高時(shí)過多工質(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)行過程出現(xiàn)“蝴蝶效應(yīng)”、自組織等混沌力學(xué)特征的現(xiàn)象。Wang 等人[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 等人[143]對比了具有直管、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。

　　2.2 新型管路結(jié)構(gòu)

　　管路結(jié)構(gòu)是脈動熱管關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，且管路的改變較為簡單、樣式多樣，如何對管路進(jìn)行合理的改進(jìn)以提升脈動熱管性能、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 等人[170, 171]采用的是單回路 OHP。而 Aboutalebi 等人[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%。對如圖 7(a)所示的旋轉(zhuǎn) OHP，Kammuang-lue 等人[165]還發(fā)現(xiàn)增加匝數(shù)可以降低冷熱端之間的絕對熱阻，但工質(zhì)循環(huán)阻力增大，增加了單位面積的熱阻。Dehshali 等人[173] 研究了熱輸入、轉(zhuǎn)速和工質(zhì)等參數(shù)對旋轉(zhuǎn) OHP 熱阻的影響，證明旋轉(zhuǎn) OHP 可以有效冷卻旋轉(zhuǎn)裝置，并通過建立相關(guān)性來預(yù)測其熱流量，但還需要更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以提升預(yù)測精度。

　　2.3 三維脈動熱管

　　面對高均溫需求、高熱流密度、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的散熱工況，傳統(tǒng)的二維脈動熱管有時(shí)難以滿足要求，針對實(shí)際應(yīng)用工況的管式和板式三維脈動熱管應(yīng)運(yùn)而生。為了增加復(fù)雜空間內(nèi)的傳熱自由度，曲捷等人[189, 190]將二維 OHP 彎曲成多層三維 OHP，4 層 OHP 的啟動和傳熱性能優(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，啟動溫度降低，燒干極限提升;只有傾角對不同層沿長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，曲捷等人[191]對比了三維 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，說明三維 OHP 相對于多個(gè)二維 OHP 管具有更好性能。凌云志等人[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)。

　　3 新結(jié)構(gòu)脈動熱管應(yīng)用研究

　　考慮到脈動熱管優(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)域來增強(qiáng)傳熱，效果顯著，新結(jié)構(gòu)脈動熱管是在適應(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，雖然總發(fā)熱量不高，但熱流密度可達(dá) 106 W/m2[68]。而溫度過高會導(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 芯片較好的貼合。鄧阿強(qiáng)等人[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;高溫 40 ℃環(huán)境下 OHP 仍可有效冷卻，且啟動時(shí)間縮短。林梓榮等人[2]通過如圖 8(a)所示的翅片板式 OHP 對 64 W 燈盤有效散熱，保持最高溫度在 70 ℃以下。李志等人[68, 69]還研究了不同冷卻方式、熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)和翅片面積對翅片板式 OHP 熱管理性能的影響，結(jié)果表明，自然對流只能對功率低于 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。李楠等人[5]提出的平板兩側(cè)通道交叉分布的三維 OHP 可以對 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。

　　3.1.2 其他電子器件熱管理 隨電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子器件趨向集成化、小型化，熱流密度急劇增加，且溫度同樣對電子器件的性能和壽命影響較大，這對熱管理技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。Miyazaki 等人[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 OHP，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。屈健等人[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%。林梓榮等人[2]基于 OHP 開發(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。陸謙逸等人[1]研究了基于翅片板式 OHP 的封閉機(jī)柜流場特性，OHP 啟動后機(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)，并建立簡化模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可保證功率不超過 1380 W 的機(jī)柜 CPU 溫度低于 60 ℃。Maydanik 等人[155]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)熱管無法啟動。Dmitrin 等人[156]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該 OHP 具有變和恒定導(dǎo)熱系數(shù)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，脈動機(jī)制激活后則變化較小直至最小值。如圖 9(e)所示，凌云志等人[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、保證溫度不超過最大結(jié)溫的同時(shí)，每年能夠節(jié)約 186 kW·h 的電量。

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

　　周智程等人[160]將帶擴(kuò)熱板和翅片的二維 OHP 用于動力電池?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。通過空氣換熱器復(fù)制車輛環(huán)境，Burban 等人[158]證明了如圖 10(a)所示的具有擴(kuò)熱板和翅片的三維 OHP 是混合動力汽車電池?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)。屈健等人[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 OHP 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。王海等人[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)于法向太陽輻射強(qiáng)度的 58.8 倍。

　　3.2 太陽能集熱及余熱回收

　　脈動熱管已經(jīng)在太陽能集熱器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[194, 195]。針對傳統(tǒng)太陽能集熱器的缺陷，陳洋等人[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 小時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率可達(dá) 50%。Rittidech 等人[211]研究了帶止回閥閉式 OHP 的太陽能集熱器性能，結(jié)果表明，集熱器效率可達(dá) 76%左右，效率的波動與時(shí)間、太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和圓管表面溫度等有關(guān)，且該集熱器具有無腐蝕和避免冬季結(jié)冰的優(yōu)點(diǎn)。

　　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)脈動熱管。 Supirattanakul 等人[124]在空調(diào)冷卻盤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% rh 相對濕度條件下，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 等人[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)率的變化會影響接觸面處的接觸熱阻和蒸發(fā)器的最大熱輸入量。

　　4 總結(jié)與展望

　　脈動熱管由于其結(jié)構(gòu)簡單、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。面向高熱流密度器件、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，脈動熱管技術(shù)的發(fā)展趨勢呈現(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)動力、促進(jìn)工質(zhì)振蕩等方面協(xié)同強(qiáng)化脈動熱管的啟動和傳熱性能。脈動熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)和浸潤性修飾，可以有效促進(jìn)液體補(bǔ)充、氣泡的核化、生長和溢出以及冷凝液滴的形成和脫離，增強(qiáng)工質(zhì)與壁面換熱;通過通道結(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)動壓差和壓力擾動。

　　(2) 對脈動熱管外部結(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，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，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) 上述新型脈動熱管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有效強(qiáng)化傳熱，能夠滿足各個(gè)領(lǐng)域的高熱流密度傳熱需求，而對于復(fù)雜工況的應(yīng)用，多種脈動熱管外部新結(jié)構(gòu)被提出：為保證與冷熱源接觸的擴(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;針對局部熱點(diǎn)問題的徑向脈動熱管;針對空間復(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熱管。