熊康寧，吳偉，汪雙鳳

（1 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640；2 華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

環(huán)路熱管（loop heat pipe，LHP）是一種通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)吸液芯產(chǎn)生的毛細(xì)力來(lái)驅(qū)動(dòng)工作流體流動(dòng)，利用工作流體的相變過(guò)程來(lái)傳遞熱量的高效傳熱裝置[1-2]。在1972 年俄羅斯的兩位科學(xué)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(zhǎng)1.2m，工作液體為水，其傳熱量可以達(dá)到1kW[3]。環(huán)路熱管最早是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的熱控制當(dāng)中，為了解決高功率航天器的散熱問(wèn)題。由于環(huán)路熱管具有傳熱距離大、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱能力強(qiáng)、反重力強(qiáng)、熱平衡好、安裝和布局方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于電子冷卻[4-8]、電池?zé)峁芾韀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(lǐng)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(xiàn)、冷凝器、液體管線(xiàn)、儲(chǔ)液室組成。其基本的工作原理是：具有多孔結(jié)構(gòu)的吸液芯利用自身的毛細(xì)力吸收儲(chǔ)液室中的工質(zhì)，使吸液芯的孔結(jié)構(gòu)中充滿(mǎn)工質(zhì)。當(dāng)蒸發(fā)器壁面被加熱時(shí)，熱量會(huì)傳遞給吸液芯，吸液芯孔結(jié)構(gòu)中的工質(zhì)便會(huì)蒸發(fā)成飽和氣體，并通過(guò)蒸汽槽道進(jìn)入汽體管線(xiàn)到達(dá)冷凝器，同時(shí)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(guò)液體管線(xiàn)回流到儲(chǔ)液室，并再次被吸液芯吸收。如此形成了一個(gè)工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)和熱量傳遞過(guò)程[21]。圖1(b)是環(huán)路熱管運(yùn)行過(guò)程的P-T圖。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析，可以更加深刻地了解環(huán)路熱管系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)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(yùn)行必須滿(mǎn)足壓力平衡條件，即吸液芯結(jié)構(gòu)具有的毛細(xì)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(yùn)行過(guò)程的P-T圖

目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)環(huán)路熱管的研究可以分為兩大類(lèi)：實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)模型研究。本文先根據(jù)蒸發(fā)器的形狀對(duì)環(huán)路熱管進(jìn)行了分類(lèi)，然后總結(jié)和分析了近五年國(guó)內(nèi)外關(guān)于平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管在實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型方面的研究進(jìn)展情況，同時(shí)結(jié)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 環(huán)路熱管的分類(lèi)

環(huán)路熱管的分類(lèi)依據(jù)有很多種，可以根據(jù)其設(shè)計(jì)、大小、蒸發(fā)器的形狀、蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)、冷凝器的設(shè)計(jì)、蒸發(fā)器和冷凝器的數(shù)量、溫度范圍、操作溫度的可控性進(jìn)行劃分[22]。本文根據(jù)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(diǎn)是當(dāng)熱源與蒸發(fā)部位充分接觸時(shí)，蒸發(fā)部位受熱均勻，另外過(guò)冷液體與吸液芯的接觸面較大，吸液芯能夠得到充分的潤(rùn)濕。但用圓柱形蒸發(fā)器環(huán)路熱管進(jìn)行散熱時(shí)，需要在蒸發(fā)器的外部安裝馬鞍形導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的。因此，科研工作者對(duì)其蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)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(zhì)流動(dòng)的速度梯度夾角較小，從場(chǎng)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(shì)，尤其在高熱流密度電子器件散熱領(lǐng)域，平板形環(huán)路熱管有著更大的潛力[21]。近年來(lái)，隨著大功率半導(dǎo)體電子器件的迅速發(fā)展，平板形環(huán)路熱管的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的研究越來(lái)越多[23-29]。下文將對(duì)平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)行詳細(xì)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(guó)內(nèi)外的科研工作者對(duì)平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管的傳熱性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[23-29]。其研究主要涉及吸液芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)選擇、蒸發(fā)器優(yōu)化等。本文將從這三個(gè)方面詳細(xì)的綜述平板形環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)研究情況。

2.1 吸液芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)路熱管蒸發(fā)器中的吸液芯結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)的重要?jiǎng)恿?lái)源及核心組成部分，是環(huán)路熱管快速啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。通常來(lái)說(shuō)，高性能的吸液芯結(jié)構(gòu)必須具有強(qiáng)的毛細(xì)力、高的滲透率、較低的熱導(dǎo)率和較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[30]。為了尋求高性能的吸液芯，國(guó)內(nèi)外科研工作者已經(jīng)做了大量的努力。根據(jù)吸液芯的不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型可將其分為燒結(jié)粉末吸液芯、燒結(jié)纖維吸液芯、金屬絲網(wǎng)吸液芯、金屬泡沫吸液芯、復(fù)合吸液芯和新型吸液芯。以下對(duì)這幾種吸液芯結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行詳細(xì)的綜述。

2.1.1 燒結(jié)粉末吸液芯

燒結(jié)粉末吸液芯主要包括燒結(jié)金屬粉末吸液芯和燒結(jié)非金屬粉末吸液芯。相比于燒結(jié)非金屬粉末吸液芯，燒結(jié)金屬粉末吸液芯具有毛細(xì)力大、機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性能好等優(yōu)點(diǎn)[31-32]，是環(huán)路熱管中最常用的吸液芯類(lèi)型。Chernysheva等[33]用銅粉燒結(jié)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(zhǎng)度為400mm，最大熱負(fù)荷為600W，最小熱阻為0.02℃/W。Xu等[34]制備一種吸液芯為燒結(jié)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(shí)，該環(huán)路熱管可以在不超過(guò)250s 的時(shí)間范圍內(nèi)穩(wěn)定啟動(dòng)，在蒸發(fā)器壁溫不超過(guò)90℃時(shí)，其最大熱負(fù)荷可以達(dá)到120W。目前，對(duì)于燒結(jié)粉末吸液芯來(lái)說(shuō)，雖然具有較大的毛細(xì)力，但吸液芯的孔隙率較小，滲透率比較低。當(dāng)在高的熱流密度下，熱管容易出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象。為了獲得具有較高毛細(xì)力和滲透率的吸液芯，一些科研工作者會(huì)在燒結(jié)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(jié)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(shí)，該環(huán)路熱管的最大熱負(fù)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(jié)鎳粉吸液芯

2.1.2 燒結(jié)纖維吸液芯

燒結(jié)纖維吸液芯是以纖維為原料燒結(jié)成形的一種多孔結(jié)構(gòu)吸液芯，具有機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙率和滲透率高等優(yōu)點(diǎn)，但吸液芯的毛細(xì)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(jié)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(kāi)有84條寬度為0.3mm的蒸汽槽道（如圖4）。測(cè)試結(jié)果表明：環(huán)路熱管的最大傳熱量可以達(dá)到280W，最低熱阻為0.064℃/W。由于碳纖維具有抗機(jī)械損壞能力強(qiáng)，與蒸發(fā)器匹配良好等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)此做了相應(yīng)的研究。Liu 等[37]對(duì)碳纖維表面進(jìn)行鍍銅改性，使其成為一種具有優(yōu)異毛細(xì)力的親水性材料。圖5是碳纖維鍍銅改性后的微觀(guān)形貌極其潤(rùn)濕性測(cè)試。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，改性后的碳纖維具有很強(qiáng)的親水性。同時(shí)，銅鍍層增加了其表面導(dǎo)熱性，有利于蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)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(jié)構(gòu)的平板形環(huán)路熱管的工作特性。結(jié)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(dòng)，并在15～75W 范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的運(yùn)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(lái)控制碳纖維吸液芯的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)，從而改善了碳纖維吸液芯的毛細(xì)力，并提供了一種復(fù)合孔隙結(jié)構(gòu)碳纖維吸液芯的制備方法，進(jìn)一步提高了碳纖維吸液芯的整體性能和應(yīng)用潛質(zhì)。

圖4 燒結(jié)不銹鋼纖維

圖5 碳纖維鍍銅改性

2.1.3 金屬絲網(wǎng)吸液芯

金屬絲網(wǎng)吸液芯是將一定目數(shù)和層數(shù)的金屬絲網(wǎng)通過(guò)固相燒結(jié)或點(diǎn)焊技術(shù)將其固定在蒸發(fā)器的內(nèi)部所形成的一種吸液芯。吸液芯具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、加工方便、孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要是毛細(xì)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(wǎng)燒結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)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(duì)流條件下，此環(huán)路熱管的有效散熱量為12W，在強(qiáng)制風(fēng)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(wǎng)制備出總厚度為3mm，孔隙率為67.6%的絲網(wǎng)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(fù)荷為550W。

圖6 吸液芯結(jié)構(gòu)圖

2.1.4 金屬泡沫吸液芯

由于金屬泡沫加工技術(shù)成熟并已工業(yè)化，且具有孔隙率高、流動(dòng)阻力小等優(yōu)點(diǎn)，一些科研工作者將其用作環(huán)路熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)。柳洋[43]采用壓制金屬泡沫鎳制備吸液芯結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)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(dòng)及運(yùn)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(shè)計(jì)并制備了一種以多層金屬泡沫為吸液芯結(jié)構(gòu)的平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管。以乙醇為工質(zhì)，研究了銅、鎳兩種不同材質(zhì)的金屬泡沫吸液芯對(duì)環(huán)路熱管換熱性能的影響。測(cè)試結(jié)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(dǎo)率和更小的孔徑，在不同的熱負(fù)荷下多層銅泡沫吸液芯結(jié)構(gòu)的平板形環(huán)路熱管表現(xiàn)出更好的性能。

2.1.5 復(fù)合吸液芯

前四種吸液芯結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，燒結(jié)纖維、金屬絲網(wǎng)和金屬泡沫吸液芯具有高孔隙率、高滲透率等特點(diǎn)，但這三種吸液芯的毛細(xì)力不高，熱阻較大；燒結(jié)粉末吸液芯具有大的毛細(xì)力，但其滲透率較低。當(dāng)在高熱流密度下，有可能出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象。這種單一結(jié)構(gòu)的吸液芯各有特點(diǎn)，為了獲得性能優(yōu)異的吸液芯結(jié)構(gòu)，一些科研工作者提出復(fù)合吸液芯，將兩種或兩種以上的單一結(jié)構(gòu)吸液芯充分組合起來(lái)，從而獲得高性能的吸液芯結(jié)構(gòu)[45]。Ling等[46]采用低溫固相燒結(jié)技術(shù)制備了單層和復(fù)合層的新型多孔銅纖維燒結(jié)片（PCFSS）。隨后，以PCFSS為吸液芯結(jié)構(gòu)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(fù)合PCFSS吸液芯結(jié)構(gòu)環(huán)路熱管的蒸發(fā)器壁溫和熱阻較低，其啟動(dòng)時(shí)間略有減少。復(fù)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(shí)，環(huán)路熱管可以承受的最大熱負(fù)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(dǎo)熱率的多孔副芯組成的復(fù)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(pán)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(fù)荷可達(dá)到300W。田巍[48]在鎳雙孔燒結(jié)吸液芯燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)上提出了一種混合了金屬絲網(wǎng)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(wǎng)的超薄吸液芯與常規(guī)厚度的燒結(jié)鎳粉吸液芯的性能相近。但該復(fù)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(duì)該吸液芯結(jié)構(gòu)環(huán)路熱管的性能有待進(jìn)一步完善，這樣才能更加準(zhǔn)確客觀(guān)地評(píng)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(fù)合銅芯，以消除高熱負(fù)荷下吸液芯中的蒸汽陷阱?？拷鼉?chǔ)液室的輸送層的厚度為2mm，面向蒸發(fā)區(qū)的蒸發(fā)層的厚度為3mm。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的復(fù)合吸液芯，其粒徑范圍96～180μm 和48～96μm 分別是吸液芯中液體運(yùn)輸層和蒸發(fā)層的理想選擇。該優(yōu)化復(fù)合吸液芯的環(huán)路熱管最大熱負(fù)荷可以達(dá)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(fù)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(shí)環(huán)路熱管的性能最優(yōu)。此吸液芯結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管最大加熱功率可達(dá)120W，對(duì)應(yīng)的熱阻為0.17℃/W。

2.1.6 新型吸液芯

近年來(lái)，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(jié)構(gòu)，并將其用于平板形環(huán)路熱管。吸液芯結(jié)構(gòu)的碳材料是通過(guò)將Karuvelam 木材炭化而制得，具有強(qiáng)吸水能力和耐高溫的能力，見(jiàn)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(fù)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(jié)構(gòu)耐久性不高，較為復(fù)雜的吸液芯結(jié)構(gòu)制備工藝難以實(shí)現(xiàn)，且工業(yè)化程度不高。Phan等[52]對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(dá)1000W 的熱負(fù)荷下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，最小熱阻為0.052℃/W。

圖7 木炭吸液芯

2.2 工質(zhì)選擇

工質(zhì)的熱物理性質(zhì)和充液率/量對(duì)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(diǎn)主要在新型工質(zhì)的開(kāi)發(fā)和充液率優(yōu)化等方面。不同工質(zhì)的熱物理性質(zhì)各不相同，對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響也不一致，如沸點(diǎn)、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(zhì)直接影響著環(huán)路熱管的運(yùn)行狀況與傳熱性能。工質(zhì)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(zhì)與管壁、吸液芯的兼容性。目前，常用的工質(zhì)有蒸餾水/去離子水、氨、甲醇、乙醇、丙酮等。表1總結(jié)了這幾種常用的工質(zhì)在平板蒸發(fā)器環(huán)路熱管中的應(yīng)用情況。從表1中可以看出，在常見(jiàn)的工質(zhì)中，蒸餾水/去離子水的應(yīng)用范圍最廣，這是由于蒸餾水/去離子水具有傳輸熱量高、無(wú)毒、價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn)。此外，一些科研工作者對(duì)不同工質(zhì)在平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管中的性能差異進(jìn)行了對(duì)比。

表1 常見(jiàn)的工質(zhì)在平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管中的應(yīng)用

劉志春等[54]研究了甲醇和丙酮為工質(zhì)時(shí)對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)吸液芯平板形環(huán)路熱管運(yùn)行特性的影響。在相同工況條件下，以丙酮為工質(zhì)的平板形環(huán)路熱管溫度波動(dòng)較小，系統(tǒng)啟動(dòng)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(zhì)時(shí)對(duì)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(cè)試結(jié)果表明，乙醇工質(zhì)的溫度波動(dòng)最劇烈，從30～160W的功率變化中連續(xù)出現(xiàn)了溫度波動(dòng)。丙酮工質(zhì)在大功率下，溫度波動(dòng)更加明顯，其周期更長(zhǎng)，在功率降低階段溫度波動(dòng)減弱。而混合工質(zhì)在整個(gè)功率變化過(guò)程中都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，相較于純乙醇和純丙酮工質(zhì)，混合工質(zhì)明顯改善了乙醇工質(zhì)環(huán)路熱管的溫度穩(wěn)定性，也增加了丙酮工質(zhì)的功率極限。Tharayil 等[55]實(shí)驗(yàn)分析了不同濃度石墨烯-水納米流體（體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)為0.006%，在最佳濃度下，輸入功率380W時(shí)，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(zhì)對(duì)平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管性能的影響。在這四種工質(zhì)中，正戊烷環(huán)路熱管的運(yùn)行溫度最低，而甲醇環(huán)路熱管的熱負(fù)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?yàn)楫?dāng)充液率/量過(guò)低時(shí)，環(huán)路熱管難以正常啟動(dòng)并發(fā)揮相變換熱的能力，其換熱效果不高；當(dāng)充液率/量過(guò)高時(shí)，環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)所占內(nèi)腔體積太大，導(dǎo)致汽化的蒸汽所占體積很小，系統(tǒng)運(yùn)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(xiàng)非常重要的工作。Zhou等[44]以乙醇為工質(zhì)，研究了三種充液量（20mL、40mL、60mL）對(duì)環(huán)路熱管啟動(dòng)和運(yùn)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(dòng)時(shí)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(duì)平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管運(yùn)行特性的影響。研究表明，乙醇的充液率為55%時(shí)，蒸發(fā)器的壁溫和環(huán)路熱管的熱阻達(dá)到了最低值，此時(shí)系統(tǒng)的傳熱能力達(dá)到最強(qiáng)。趙同樂(lè)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(zhì)不同充液量（10～80mL）對(duì)環(huán)路熱管平板蒸發(fā)器表面溫度的影響。測(cè)試結(jié)果表明，該平板形蒸發(fā)器環(huán)路熱管工質(zhì)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(zhì)，在20～380W 的熱負(fù)荷范圍內(nèi)，研究了充液率為20%、30%和50%時(shí)對(duì)平板蒸發(fā)器微型環(huán)路熱管性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明，充液率對(duì)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(cè)試熱負(fù)荷范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工質(zhì)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(jīng)做了大量研究，前兩部分已經(jīng)作了詳細(xì)的綜述。近年來(lái)，部分科研工作者對(duì)蒸發(fā)器展開(kāi)了研究，研究發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器優(yōu)化對(duì)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(xiàn)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(chǔ)液室之間安裝有旁路管線(xiàn)，通過(guò)改變旁路管線(xiàn)上的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，從而改變環(huán)路熱管的熱性能。在中低熱負(fù)荷下，旁路管線(xiàn)閥門(mén)打開(kāi)情況下環(huán)路熱管的熱性能要劣于閥門(mén)關(guān)閉的情況。這是因?yàn)樵陂y門(mén)打開(kāi)的情況下，蒸汽管線(xiàn)的蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)液室中，從而導(dǎo)致了蒸發(fā)器的壁溫升高，這種情況類(lèi)似于增加了熱泄露，導(dǎo)致環(huán)路熱管性能的降低。在高熱負(fù)荷下，旁路管線(xiàn)閥門(mén)打開(kāi)情況下環(huán)路熱管的熱性能要優(yōu)于閥門(mén)關(guān)閉的情況。這是因?yàn)樵诟邿嶝?fù)荷下，吸液芯中的工質(zhì)來(lái)不及補(bǔ)充，將有燒干的趨勢(shì)，當(dāng)旁路閥門(mén)打開(kāi)，蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)液室中，對(duì)儲(chǔ)液室中的工質(zhì)有推動(dòng)作用，吸液芯中的工質(zhì)能得到及時(shí)的補(bǔ)充，從而使蒸發(fā)器的壁溫降低。從研究結(jié)果中也更加清楚的了解到，在中低熱負(fù)荷下，環(huán)路熱管蒸發(fā)器的熱泄露對(duì)其性能有著很大的影響；在高熱負(fù)荷下，吸液芯的補(bǔ)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(cè)壁的熱泄漏，He 等[62]提出了一種采用復(fù)合材料的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。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(shè)有加強(qiáng)肋，以提高蒸發(fā)器強(qiáng)度。與相同蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)為銅的環(huán)路熱管相比，在相同熱負(fù)荷下，復(fù)合材料蒸發(fā)器的出口與儲(chǔ)液室之間的溫差較小，說(shuō)明復(fù)合材料蒸發(fā)器側(cè)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(lái)自于吸液芯和蒸發(fā)器的側(cè)壁，不銹鋼的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于紫銅。因此，不銹鋼側(cè)壁的使用對(duì)減少熱泄露是有效的。Krishnan 等[63]在蒸發(fā)器加熱內(nèi)表面制備銅納米線(xiàn)涂層，并研究了涂層對(duì)微型平板環(huán)路熱管性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與沒(méi)有任何銅納米線(xiàn)涂層的蒸發(fā)器加熱內(nèi)表面相比，有納米線(xiàn)涂覆的內(nèi)表面，其環(huán)路熱管的傳熱系數(shù)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?yàn)榧{米線(xiàn)涂層可以改善氣泡成核，提高毛細(xì)力，降低熱阻。Tharayil等[64]使用物理氣相沉積法在蒸發(fā)器內(nèi)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(fù)荷下納米顆粒涂層對(duì)微型平板環(huán)路熱管性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明，與沒(méi)有涂層的蒸發(fā)器內(nèi)表面相比，當(dāng)蒸發(fā)器納米涂層厚度分別為100nm、200nm、300nm 和400nm 時(shí)，其熱阻平均降低了6.7%、11.9%、17.2%和22.6%，同時(shí)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)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(jié)構(gòu)，在受熱面一側(cè)設(shè)有加強(qiáng)型肋板，減小平面的變形特性。研究結(jié)果表明，該環(huán)路熱管在一定的運(yùn)行條件下具有良好的性能，特別是在熱負(fù)荷變化時(shí)，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(nèi)部設(shè)有四個(gè)肋片，在肋片的表面布有金屬絲網(wǎng)。蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖8 所示。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該環(huán)路熱管的最大熱負(fù)荷可以達(dá)到380W，最小熱阻為0.083℃/W。

圖8 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

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(yùn)行機(jī)制，探究其熱性能，為環(huán)路熱管的設(shè)計(jì)獲取數(shù)據(jù)。由于環(huán)路熱管內(nèi)部傳熱傳質(zhì)的復(fù)雜性，其理論模型研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)驗(yàn)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(lái)，其基本原理并沒(méi)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(lèi)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(gè)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(jié)構(gòu)最復(fù)雜和功能最重要的組件，一般由吸液芯、儲(chǔ)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(guò)程包括：工質(zhì)在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、相變換熱以及熱量傳遞等多種物理現(xiàn)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(zhì)的流動(dòng)特性和其熱傳遞特性。Chernysheva等[66]對(duì)全濕吸液芯和工作流體充滿(mǎn)儲(chǔ)液室的環(huán)路熱管平板盤(pán)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(zhì)通過(guò)吸液芯時(shí)傳熱的對(duì)流分量，第二種忽略了對(duì)流分量。這兩種模型的研究對(duì)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(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，吸液芯和蒸發(fā)器外殼的熱導(dǎo)率越高，其溫度場(chǎng)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(shí)達(dá)到最高值。對(duì)銅蒸發(fā)器而言，當(dāng)熱流密度由2.8×104W/m2增至4.2×105W/m2時(shí)，其溫差最大值由0.001℃增至0.144℃；對(duì)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(xiàn)蒸發(fā)器的傳熱主要是在吸液芯結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的。由于工質(zhì)通過(guò)吸液芯的流量很小，對(duì)流分量的貢獻(xiàn)很小，在低熱流密度下或高導(dǎo)熱材料蒸發(fā)器中，對(duì)流分量的貢獻(xiàn)可能被忽略。在此模型研究基礎(chǔ)上，Chernysheva等[67]研究了不同工質(zhì)對(duì)環(huán)路熱管平板盤(pán)式蒸發(fā)器中溫度分布的影響。主要對(duì)6 種工質(zhì)進(jìn)行了計(jì)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(shù)Pe在0～3.73的范圍內(nèi)變化。模擬結(jié)果表明，當(dāng)Pe高達(dá)0.73時(shí)，對(duì)流成分對(duì)蒸發(fā)器中總傳熱的貢獻(xiàn)微不足道。在研究的工質(zhì)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(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的平板環(huán)路熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模型研究。其環(huán)路熱管模型是基于能量守恒和動(dòng)量守恒的一維穩(wěn)態(tài)模型，同時(shí)對(duì)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(jié)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(nèi)的溫度分布和熱平衡。此外，將實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)液室溫度的差異小于8.4℃，表明該模型可以預(yù)測(cè)該環(huán)路熱管的性能。Shioga 等[69]設(shè)計(jì)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(kuò)散結(jié)合而成，并對(duì)環(huán)路熱管蒸發(fā)器建立與Fukushima 等[68]類(lèi)似的三維的熱傳導(dǎo)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(nèi)。其熱泄漏與熱輸入的比值為10%或更少。通過(guò)這些計(jì)算，可以確定在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器中的熱量分布以及蒸發(fā)器到液體管線(xiàn)的熱泄漏量。Li等[70]采用先進(jìn)的相變格子玻爾茲曼方法，對(duì)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(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了熱流密度和表面潤(rùn)濕性對(duì)蒸發(fā)器汽液界面的形態(tài)和動(dòng)力學(xué)、液相體積分?jǐn)?shù)、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(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著熱流密度的增加，汽液界面將呈現(xiàn)5種不同的模式或動(dòng)態(tài)變化。一般來(lái)說(shuō)，熱流密度越大，接觸角越大，吸液芯內(nèi)的穩(wěn)態(tài)液體體積分?jǐn)?shù)越小。而在一定的熱流密度范圍內(nèi)，液體體積分?jǐn)?shù)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(jī)的，左右出口的溫度分布不對(duì)稱(chēng)。這種差異在部分飽和的吸液芯中尤為顯著，說(shuō)明局部孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)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(shù)先因氣泡在吸液芯內(nèi)的形成和發(fā)展而增大，然后又因干裂的發(fā)生和擴(kuò)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(dá)到最大有效傳熱系數(shù)。然而，本文研究的接觸角對(duì)有效傳熱系數(shù)的最大值沒(méi)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(yuǎn)、散熱能力強(qiáng)、反重力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，但環(huán)路熱管設(shè)計(jì)、加工制造、運(yùn)行特性更加的復(fù)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(dǎo)環(huán)路熱管的設(shè)計(jì)，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(chǔ)上建立了一種基于能量守恒、動(dòng)量守恒和熱力學(xué)關(guān)系的穩(wěn)態(tài)分析模型，用于評(píng)估一款新型平板形環(huán)路熱管的性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該穩(wěn)態(tài)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間誤差很小，所建立的模型可用于評(píng)價(jià)該新型環(huán)路熱管的性能，為同類(lèi)產(chǎn)品的進(jìn)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(chǔ)液室與蒸汽管線(xiàn)之間通過(guò)一個(gè)帶有控制閥門(mén)的旁路管線(xiàn)連接，且蒸汽輸出部位的管線(xiàn)成噴射器形狀。然后建立基于環(huán)路熱管動(dòng)量守恒、熱力學(xué)關(guān)系，噴射器出口建立質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒關(guān)系，蒸發(fā)器、儲(chǔ)液室和冷凝器建立能量守恒的穩(wěn)態(tài)模型。根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)該環(huán)路熱管的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了模擬，并與傳統(tǒng)的平板形環(huán)路熱管進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果表明，在相同的熱負(fù)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(zhì)過(guò)冷區(qū)，在一定工況下，管式冷凝器的總長(zhǎng)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?jī)H為單純的模型研究，為了驗(yàn)證模型模擬的可靠性，還應(yīng)該對(duì)該環(huán)路熱管的特性進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。Meng 等[72]設(shè)計(jì)了一種用于數(shù)據(jù)中心散熱的新型環(huán)形熱管，并根據(jù)各個(gè)部件的能量、動(dòng)量和熱力學(xué)平衡建立了一維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證了仿真結(jié)果。該數(shù)學(xué)模型可用于預(yù)測(cè)每個(gè)特征點(diǎn)的工作溫度，其相對(duì)誤差小于13%。此外，該數(shù)學(xué)模型對(duì)環(huán)路熱管的參數(shù)進(jìn)行了研究，包括材料、管線(xiàn)直徑、管線(xiàn)長(zhǎng)度和吸液芯孔隙率的影響，為新型環(huán)路熱管的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。Du 等[73]設(shè)計(jì)并制造了一種不帶儲(chǔ)液室的平板形環(huán)路熱管，同時(shí)在液體管線(xiàn)上配有吸液芯，以增強(qiáng)熱管的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行能力，并建立了用于預(yù)測(cè)環(huán)路熱管工作溫度的穩(wěn)態(tài)模型。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可得，蒸發(fā)器、蒸汽、冷凝器出口和液體管線(xiàn)入口溫度的最大相對(duì)誤差均小于15%。Gabsi 等[74]對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的平板銅-水環(huán)路熱管建立數(shù)學(xué)模型。該模型基于每個(gè)組件的能量和動(dòng)量平衡方程，特別考慮了蒸發(fā)器中的傳熱過(guò)程，并且根據(jù)量綱為1的相關(guān)性確定了蒸發(fā)傳熱系數(shù)。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱負(fù)荷5W～600W 范圍內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Tharayil 等[75]對(duì)平板形環(huán)路熱管建立基于熱量傳遞、質(zhì)量平衡和壓降損失的熱力學(xué)模型，并將環(huán)路熱管熱性能和熵產(chǎn)生的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。環(huán)路熱管使用的工質(zhì)是水和兩種體積分?jǐn)?shù)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(fù)荷變化的關(guān)系圖，可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)之間的偏差很小，蒸發(fā)器壁溫最大偏差為6%。此外，根據(jù)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算了由于傳熱和壓降導(dǎo)致的環(huán)路熱管的熵產(chǎn)生。結(jié)果表明，納米流體的使用減少了熵的產(chǎn)生并提高了熱力學(xué)第二定律的效率。對(duì)于體積分?jǐn)?shù)為0.003%和0.006%的納米流體，其總熵產(chǎn)生分別減少23.9%和34.6%。Zhu等[76]基于節(jié)點(diǎn)分析方法對(duì)各節(jié)點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型可以用于計(jì)算熱量的傳遞、壓力損失和各節(jié)點(diǎn)的溫度情況。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，該數(shù)學(xué)模型所獲得的模擬溫度與實(shí)驗(yàn)溫度之間的一致性很好。Li等[77]利用節(jié)點(diǎn)分析方法建立的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究三種不同結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的熱性能，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。結(jié)構(gòu)1是將蒸汽通道設(shè)置在加熱面上，結(jié)構(gòu)2是將蒸汽通道設(shè)置在吸液芯上，而結(jié)構(gòu)3有效利用了蒸發(fā)壓頭可作為工質(zhì)循環(huán)動(dòng)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(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果表明：在啟動(dòng)過(guò)程和不同的熱負(fù)荷下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果之間的一致性很好。在最高溫度節(jié)點(diǎn)處，三種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)溫度與模擬溫度之間的最大相對(duì)偏差分別為1.1℃,1.3℃和1.9℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)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(guān)鍵。由于蒸汽室的存在，在結(jié)構(gòu)3中吸液芯與加熱面分離，使其工作溫度最低，啟動(dòng)時(shí)間最短。對(duì)于結(jié)構(gòu)3，由于蒸發(fā)發(fā)生在蒸汽室而不是在吸液芯內(nèi)，在相同熱負(fù)荷下，它比結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)2 具有更長(zhǎng)的輸送距離。Jose等[78]用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)研究以二氧化硅-水納米流體為工質(zhì)的平板形環(huán)路熱管的熱性能。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為240514 時(shí)，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間的相對(duì)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(huì)更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。Zhang 等[79]在蒸發(fā)器殼體和儲(chǔ)液室殼體之間的接觸表面上增加隔熱層來(lái)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(guò)吸液芯所產(chǎn)生的熱傳遞，并通過(guò)三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)驗(yàn)證了所提出改進(jìn)的有效性。模擬結(jié)果表明，熱導(dǎo)率低的硅片可以將儲(chǔ)液室中的液體體積分?jǐn)?shù)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(fù)荷變化的關(guān)系圖

圖11 不同環(huán)路熱管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)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(duì)環(huán)路熱管的前期設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)及內(nèi)部傳熱傳質(zhì)機(jī)理的了解更具指導(dǎo)意義。上文已經(jīng)詳細(xì)地綜述了國(guó)內(nèi)外最近五年平板形環(huán)路熱管系統(tǒng)的模型研究。為了對(duì)這些模型有著更加深入的了解，將這些模型分類(lèi)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(jié)點(diǎn)分析法建立的一維穩(wěn)態(tài)模型和三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于常規(guī)的一維穩(wěn)態(tài)分析模型，其應(yīng)用比較廣泛，模型比較簡(jiǎn)單，可以獲得熱負(fù)荷與溫度之間的關(guān)系，但很難獲得環(huán)路熱管各處的溫度分布和內(nèi)部傳質(zhì)情況。此外，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的環(huán)路熱管，該模型所獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的誤差比較大；對(duì)于基于節(jié)點(diǎn)分析法建立的一維穩(wěn)態(tài)模型，其模型也比較簡(jiǎn)單，模型的準(zhǔn)確度比較高。不僅可以獲得熱負(fù)荷與溫度之間的關(guān)系，而且還可以獲得不同加熱時(shí)間下環(huán)路熱管各點(diǎn)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(nèi)部傳質(zhì)情況。對(duì)于三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，可以獲得環(huán)路熱管各處的溫度分布和內(nèi)部傳質(zhì)情況，但其模型比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的平板形環(huán)路熱管，該三維模型的適用性不強(qiáng)，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(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)，隨著大功率半導(dǎo)體電子器件的迅速發(fā)展，平板形環(huán)路熱管的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，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(shí)驗(yàn)研究（吸液芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)選擇、蒸發(fā)器優(yōu)化）和理論模型研究的角度出發(fā)，詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)近年來(lái)在平板形環(huán)路熱管領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

（1）吸液芯是環(huán)路熱管的核心部分，其毛細(xì)力的大小和滲透率直接影響著環(huán)路熱管的啟動(dòng)和運(yùn)行性能。針對(duì)如何提高吸液芯的性能這一難題，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者在不斷的探索開(kāi)發(fā)其新型吸液芯結(jié)構(gòu)和材料，來(lái)提高吸液芯的毛細(xì)力，同時(shí)降低環(huán)路熱管運(yùn)行過(guò)程中吸液芯所帶來(lái)的熱泄露。

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

（3）在吸液芯和工質(zhì)的研究之外，其蒸發(fā)器的優(yōu)化對(duì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、蒸發(fā)器復(fù)合材料的應(yīng)用以及蒸發(fā)器內(nèi)部表面的改性。

（4）平板形環(huán)路熱管數(shù)值模擬研究對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度分布及散熱能力的評(píng)估具有重大的意義。本文重點(diǎn)總結(jié)了近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者在環(huán)路熱管蒸發(fā)器模型和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型方面的模擬研究，為今后新型模型的開(kāi)發(fā)與改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)平板形環(huán)路熱管進(jìn)行了大量的相關(guān)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(chǔ)上，提出以下展望。

（1）平板形環(huán)路熱管吸液芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要考慮其毛細(xì)力、滲透率、熱導(dǎo)率、親水性能以及加工的難易程度，現(xiàn)有的各類(lèi)型吸液芯都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，因此尋求高性能的吸液芯結(jié)構(gòu)和材質(zhì)仍是今后的研究重點(diǎn)。

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

（3）相比于吸液芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)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(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度等方面具有重大意義。針對(duì)平板形環(huán)路熱管的熱泄露和儲(chǔ)液室壁面易凹陷等問(wèn)題，可以在平板形環(huán)路熱管儲(chǔ)液室內(nèi)部燒制一層薄的陶瓷，不僅可以減少來(lái)自于蒸發(fā)器壁的熱泄露，而且還可以增強(qiáng)儲(chǔ)液室壁面的強(qiáng)度。

（4）平板形環(huán)路熱管的理論模型研究起步較晚，現(xiàn)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(kāi)發(fā)也是十分必要的，其對(duì)環(huán)路熱管啟動(dòng)過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象的了解有著重要意義。