热源辅助策略下的脉动热管性能

刘章; 纪玉龙

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506767

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (12) :5092-5100 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506767

能源与动力工程

热源辅助策略下的脉动热管性能

刘章 ,
纪玉龙 ^*

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Performance of Oscillating Heat Pipe under Auxiliary Heat Source Strategy

LIU Zhang ,
JI Yu-long ^*

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摘要

脉动热管(oscillating heat pipe,OHP)作为一种高效传热元件,具有结构简单、形式多样的优点,在复杂空间的散热中具有重要应用价值。对于实际中变负载工况设备而言,快速启动对其寿命与运行安全具有重要意义。采用热源辅助的方法,对铜-水三维脉动热管在热源辅助工况下开展了实验研究。结果表明:辅助热源的引入使温度波动更加稳定,但削弱了单向流动的形成,导致蒸发段温度升高、热阻增大,从而降低了整体传热性能。然而辅助热源避免了启动过程中的停滞现象,使OHP跨过传统的启动阶段,显著缩短启动的时间。基于此提出一种热源辅助策略:在脉动热管初始阶段开启辅助热源,使其迅速进入脉动状态,待运行稳定后再关闭辅助热源。该策略不仅有效缩短了脉动热管的启动时间,而且不影响其传热性能,从而实现了对突变热负荷的快速响应。在50 W工况下,OHP稳定运行时间由33 s缩短至11 s;在150 W工况下,则由7 s降低至5 s。研究成果为脉动热管在突变负荷下的高效热管理提供了新的解决方案。

Abstract

Oscillating heat pipe (OHP) is highly efficient heat transfer devices with simple structures and versatile configurations, making them valuable for thermal management in complex environments. For equipment operating under variable load conditions, rapid startup is critical to ensuring reliability and operational safety. A heat-source-assisted approach was employed to experimentally investigate a three-dimensional copper-water OHP. The results indicate that while the auxiliary heat source stabilizes temperature fluctuations, it also suppresses the formation of unidirectional flow, leading to higher evaporator temperatures, increased thermal resistance, and reduced overall heat transfer performance. Nevertheless, the auxiliary heat source prevents stagnation during startup, allowing the OHP to bypass the conventional startup stage and achieve significantly faster activation. Based on these findings, a heat-source-assisted strategy was proposed: the auxiliary heat source was activated during the initial startup phase to quickly induce oscillation, and once stable operation was established, it was switched off. This strategy shortens the OHP startup time without compromising heat transfer performance, thereby enabling rapid response to sudden thermal loads. Under a 50 W input, the OHP's time to reach stable operation decreases from 33 s to 11 s, while at 150 W, it is reduced from 7 s to 5 s. The research results provide a novel and effective solution for efficient thermal management of OHPs under abrupt load variations.

Graphical abstract

关键词

脉动热管(OHP) / 热源辅助 / 启动 / 稳定运行 / 传热性能

Key words

oscillating heat pipe(OHP) / auxiliary heat source / start-up / stable operation / heat transfer performance

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刘章, 纪玉龙. 热源辅助策略下的脉动热管性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(12): 5092-5100 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506767

LIU Zhang, JI Yu-long. Performance of Oscillating Heat Pipe under Auxiliary Heat Source Strategy[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(12): 5092-5100 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506767

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热管作为被动式两相传热装置,导热性高、结构紧凑、布局灵活,广泛应用于航空航天^[1]、电子散热^[2]、数据中心^[3]等领域。作为其中的一员,脉动热管(oscillating heat pipe,OHP)独特的依靠内部压差驱动,由毛细管弯折成数个弯头而成,内部不需要毛细芯,因而制造简单且结构多样^[4-5]。OHP依据工作原理可分为:吸热的蒸发段、放热的冷凝段和绝热段。工质在OHP内形成气塞和液塞首尾相连的状态,蒸发吸热和冷凝放热产生压力波动,驱动工质在OHP内脉动运动^[6],综合显热和潜热的共同作用,实现热量在蒸发段和冷凝段的传递,因而蒸发段和冷凝段的温差是OHP启动的关键条件。工质持续相变产生的变化压力场维持着OHP的持续运行。

由于OHP独特的脉动传热机制,在大功率、高热流密度元件的散热应用具有广阔的前景^[7-8]。OHP可分为启动阶段和稳定运行阶段。启动过程决定着能否快速稳定的进入运行状态,也决定着实际应用中能否快速地对发热元件实现热疏导。通常以启动时间和启动功率作为反应启动能力的指标。短启动时间和低启动功率意味着OHP可以更快速敏捷的进行热响应,更好地应用于电子设备的散热。OHP的启动性能受加热模式、工质物性等多种因素的影响。增大加热功率动态响应时间常数减小^[9],不同的充液率需要不同的启动功率,增大加热功率,启动更容易。低加热功率下启动时会出现明显的温度过高,然后才进入稳定的温度振荡阶段,而高加热功率下的启动则伴随着平稳的温度振荡。优化启动过程对于强化脉动传热以及实际应用至关重要,多位学者从诸如工质、管径、表面及外场辅助等角度开展了相关研究。

工质饱和状态下压力随温度变化值[(dP/dT)_sat]高的OHP更易启动。常温工质中,丙酮OHP的启动速度最快,其次是甲醇,水OHP的启动时间最长,流动阻力、比热、汽化潜热小的工质更有利于OHP的快速启动^[10]。相较于单一工质,在水中加入HFE-7100形成二元混合液,可以显著降低启动热流密度,实现更快的启动,在低热流密度下运行稳定^[11]。通过加入表面活性剂,降低水的表面张力,也可以降低启动功率^[12]。纳米流体的加入则促进了OHP内的工质相变,提高了振荡驱动力,相较于纯水工质启动时间和启动温度明显降低^[13]。

不同于传统的均匀管径,非对称分布的通道结构例如粗细交替分布减少了段塞停滞,可以降低启动温度^[14-15]。在蒸发段布置特斯拉阀,有助于增强工质的流动循环,可以优化OHP的启动特性并降低热阻^[16]。矩形通道相比圆形通道OHP具有更高的启动功率(1.5~2倍),但具有更低的热阻(圆形通道的30%~40%)和温差(比圆形通道降低10~20 ℃)^[17]。

润湿性同样会影响OHP的启动及传热性能。亲水性OHP的启动性能提高而疏水性的OHP启动性能降低。100 W功率下亲水性OHP的启动温度和时间分别降低了4.41 ℃和100 s,而疏水性OHP则提高了2.37 ℃和100 s^[18]。蒸发段和冷凝段具有不同润湿性的混合表面使垂直管之间附加不平衡的压差,表现出显著的启动和传热性能提升^[19]。通过在OHP通道内部表面覆盖金属泡沫芯增加成核位点促进气泡的产生,也可以显著降低启动温度和启动时间^[20]。一定范围内尺寸越大,启动功率越小,然而传热性能降低,通过采用混合尺寸结构的凹腔,可以同时改善启动和传热性能^[21]。

区别于上述结构及工质的被动方式,通过主动增强的方式也可以实现启动的优化。超声空化增加对边界层的扰动,增大驱动力,缩短OHP的启动时间^[22]。在磁场和磁性纳米流体的作用下,纳米流体颗粒沉积在壁面,增强了沸腾,OHP的启动速度更快,尤其是在低加热功率下^[23]。外界的振动通过促进气泡的成核和分离使OHP的启动时间降低^[24]。外场作为主动的方法,在强化OHP启动方面具有很大的潜力^[25]。由于温差驱动的机制,通过施加外部热流改变温度分布对OHP的启动具有深度的研究意义。初始的气液分布是决定启动的关键,通过预热改变气液分布有利于OHP的启动^[26]。非均匀热流密度加热促进打破工质平衡态,改善循环流动状态,减少流动的停滞,降低运行热阻^[27]。对三维圆柱形的OHP不对称加热影响的研究表明,局部热流加热会造成工质的运动停滞^[28]。可见通过调整热流的分布会影响OHP的运行^[29-30]。由于启动前后工质的沸腾热迟滞现象,热流上升段和热流下降段的热阻差异具有相反的趋势^[31]。外加的热流场对OHP的性能会有积极的影响,但前人研究中对如何开展具体的结构布置及调控较少讨论。因此,开展热源辅助对OHP启动和传热性能的影响研究,通过外接的热流刺激,改变OHP原有的气液状态,避免OHP在启动过程中停滞现象的出现,从而优化启动过程。提出热开关辅助快速启动的新的方法,为OHP更好地应用于散热领域提供技术支持。

1 实验概况

OHP测试平台主要由冷却系统、加热系统和温度采集系统三部分组成,如图1(a)所示。冷却系统由恒温水浴、水泵、循环水路和冷却块组成。加热系统由直流电源和加热丝组成。电源共有2个,电源Ⅰ(Chroma 62100H-450)用于向热源(蒸发段)输入热量,电源Ⅱ(Agilent N5772A)向辅助热源提供热量。温度采集系统由OMEGA T型热电偶(±0.1 ℃)、数据采集系统(NI-PXIE 4353)和电脑组成,温度数据的采样率为10 Hz。实验系统的实物如图1(b)所示。

OHP为紧凑的三维螺旋结构,为辅助热源的布置提供空间,如图2所示。测试时OHP垂直放置,底部加热顶部冷却。为了减小热源蓄热的影响,采用直径0.35 mm的加热丝作为热源和辅助热源,每根铜管的蒸发段均匀缠绕18圈。分别位于OHP的两侧,其中辅助热源位于冷源的下方。蒸发段、绝热段和冷凝段的长度分别为40、76和64 mm。共有16个热电偶进行温度采集,T_e,1~T_e,4位于蒸发段,T_c,9~T_c,12位于冷凝段,T_a1,5~T_a1,8和T_a2,13~T_a2,16位于绝热段。热源的功率范围为50~150 W,恒温水浴的温度设置为20 ℃。OHP的外径和内径分别为3 mm和1.9 mm,以去离子水作为工质,充液率50%。根据辅助热源是否运行分为三种模式:Mode N、Mode A和Mode A-N。Mode N模式下,辅助热源不工作;Mode A模式下,辅助热源始终运行,使OHP处于脉动状态;Mode A-N为辅助模式向无辅助模式切换。根据前期的试验探索,将辅助热源的功率设定在50 W以保证OHP小功率运行。通过LABVIEW编写的程序实时控制电源的输出功率,热源和辅助热源通过电源Ⅰ和电源Ⅱ分别调节。

测试时先开启水路循环,OHP冷凝段温度稳定在20 ℃开始测试。Mode N模式下,每个功率点测试完毕待冷凝段温度恢复后开启下一次测试。Mode A和Mode A-N模式下,每个功率点测试完毕待蒸发段和冷凝段温度稳定后开启下一次测试。

分析过程中采用温度、温差和热阻作为OHP性能的评价指标,计算公式为

(1)T_e=$\frac{1}{4}$(T_e,1+T_e,2+T_e,3+T_e,4)

(2)T_c=$\frac{1}{4}$(T_c,9+T_c,10+T_c,11+T_c,12)

(3)ΔT=T_e-T_c

(4)R=

$\frac{\mathrm{\Delta }T}{Q}$

式中:T_e和T_c分别为蒸发段和冷凝段的平均温度;T_e,1、T_e,2、T_e,3和T_e,4分别为蒸发段测温点1、2、3、4的温度;T_c,9、T_c,10、T_c,11和T_c,12分别为冷凝段测温点9、10、11、12的温度;Q为OHP蒸发段的吸热量;ΔT为蒸发段和冷凝段的温差;R为热阻。平均温度的计算采用该功率下稳定运行时的温度即最后120 s采集的温度数据。

设备的精度影响不确定度,输入功率的不确定度定义为

(5)

$\frac{u\left(Q\right)}{Q}$

$\sqrt{{\left[\frac{u\left(U\right)}{U}\right]}^{2}+{\left[\frac{u\left(I\right)}{I}\right]}^{2}}$

温差的不确定度定义为

(6)

$\frac{u\left(\mathrm{\Delta }T\right)}{\mathrm{\Delta }T}$

$\sqrt{{\left[\frac{u\left({T}_{\mathrm{e}}\right)}{\mathrm{\Delta }T}\right]}^{2}+{\left[\frac{u\left({T}_{\mathrm{c}}\right)}{\mathrm{\Delta }T}\right]}^{2}}$

热阻的不确定度定义为

(7)

$\frac{u\left(R\right)}{R}$

$\sqrt{{\left[\frac{u\left(\mathrm{\Delta }T\right)}{\mathrm{\Delta }T}\right]}^{2}+{\left[\frac{u\left(Q\right)}{Q}\right]}^{2}}$

式中:u为不确定度;U为电压;I为电流。

设备的不确定度如表1所示,根据式(5)~式(7),电源输入功率的不确定度为0.22%,温差和热阻的最大不确定度分别为1.31%和1.33%。

2 结果与讨论

2.1 Mode N和Mode A模式下的温度波动

Mode N模式下OHP稳定运行时的温度分布如图3所示。由于采用三维非对称加热和冷却的形式,可以在OHP内形成稳定的单向循环流动^[32]。在110 W及以后,始终存在T_a1,6>T_a2,14,T_a1,7>T_a2,15,即同一弯头的两侧存在明显的温度分层,标志着稳定的单向流动的形成。而在50~90 W,由于压差不足,OHP内工质以不规则脉动的形式运动,同一弯头绝热段的温度出现交叉。

Mode A模式下OHP稳定运行的温度分布如图4所示。由于辅助热源的存在,打破了不对称加热和冷却。相较于Mode N,在50~110 W,OHP始终以脉动的形式运行,直至130 W,由于主热源的功率已远高于辅助热源(50 W)的功率,在OHP左右两侧形成了足够的压差,此时同一弯头的绝热段两侧出现温度分层,稳定的单向循环流动建立。在Mode A模式下,辅助热源促进OHP内工质的振荡运动,与辅助热源不工作的Mode N模式相比,在50~90 W范围内,蒸发段没有明显的温度尖峰,最高温度更小,温度波动更加稳定。

2.2 Mode N和Mode A模式下的传热性能

Mode N和Mode A模式下蒸发段和冷凝段平均温度T_e和T_c随功率的变化如图5所示。Mode N模式的蒸发段温度先降低后升高。在低功率下(50~90 W),驱动力不足致使气液塞停滞。液塞的蒸发需要热量的积累,导致蒸发段温度升高。热量的积聚需要时间,由于加热丝的热容量小,蒸发段的温升明显。加热丝加热的方式使温度波动幅度更为明显,综合影响下,50 W功率下蒸发段平均温度较高。随着功率的增加,停滞现象减弱,脉动趋于平稳,因而蒸发段温度降低。功率增加至110 W后,温度波动稳定,大幅波动消失。因而随着功率的进一步增加,蒸发段平均温度T_e升高。Mode A模式下由于辅助热源的作用,OHP始终处于稳定振荡状态,因而随着功率的增加,T_e稳定升高。且辅助热源的作用增加了OHP的热输入,因而Mode A模式的T_e始终高于Mode N。热输入增加使得OHP内的脉动流动增强,因而两种模式下的冷凝段温度T_c均随着功率的增加而升高,且Mode A模式下OHP的总热输入功率高于Mode N模式,因而Mode A模式下的冷凝段温度T_c高于Mode N。

图6为两种模式下热阻和温差随功率的变化。随着功率增大,OHP冷热端的温差增大,驱动力增强,内部的气液塞运动更加剧烈,因而Mode N模式和Mode A模式的热阻均随着功率的增加而减小。在Mode N模式下,随着功率的增加,蒸发段的温度升高,OHP的冷热端温差增大。然而,在低功率下,剧烈的局部温度波动导致实际的平均温度较高(图3),而随着功率的增加,温度波动更加稳定。因此,OHP冷热端的温差在50~110 W先减小,随着功率的进一步增加而增大。在Mode A模式下,受辅助热源的影响,随着功率的增加,冷热端温差略有增加,但整体较为稳定。功率的增加导致更大的驱动力和气液塞在OHP内更剧烈的运动,辅助热源的存在增大了热输入,因而Mode A模式的温差及热阻均大于Mode N模式,表明在运行阶段热辅助不利于OHP的传热性能。

2.3 Mode A和Mode A-N模式下的启动

在温差驱动下当OHP内的液塞可以持续从蒸发段运动到冷凝段时OHP启动。温度曲线表现为蒸发段温度陡降后持续振荡波动,伴随着冷凝段温度陡升后同样持续振荡波动。不同功率下Mode N和Mode A模式下的启动过程如图7所示。Mode N模式下,施加热源功率后蒸发段气液塞吸热相变,气塞膨胀,推动OHP内的工质由蒸发段向冷凝段运动,OHP启动。由于工质从静止到运动需要蓄能,并克服摩擦力,因而启动过程较慢,特别是在低功率下。而辅助热源刺激OHP内的液塞脉动运动,消除了热迟滞现象^[31],且运动的液塞在管内铺展液膜,降低阻力,因而Mode A模式下的启动相较于Mode N模式,可以更快地实现热响应,在不同的功率下均有效地缩短了启动时间。然而稳定后Mode A模式的温度曲线高于Mode N模式,对传热带来了不利的影响(见2.2节)。

基于上述分析,进一步提出了既能实现快速启动又不影响传热性能的Mode A-N模式,即在OHP趋于稳定运行后关闭辅助热源。Mode N和Mode A-N模式下的启动过程如图8所示。在热源功率低于110 W时,施加辅助功率后10 s关闭辅助热源,高于110 W时,施加辅助功率后5 s关闭辅助热源。在Mode N模式启动过程中,低功率下OHP更容易出现陡降式启动,温度曲线上表现为具有明显的尖峰,如图8(b)~图8(d)所示。Mode A-N模式启动过程中,由于OHP始终处于脉动状态,因而陡降式启动的温度尖峰现象得到了显著的改善。同时,相较于Mode A模式,启动后温度曲线恢复至与Mode N模式相同,消除了辅助热源对稳定运行工况传热性能的恶化。Mode A-N模式使OHP对于变功率的适应性增强,实际应用中避免散热元件出现局部温度过高,有助于延长设备使用寿命,可更好地适用于变负荷的热源散热。

随着功率的增加,蒸发段内液塞与壁面之间液膜的蒸发速率增大,可以更快地形成充足的压差推动OHP内的工质运动,因而OHP的启动时间随加热功率的增大而减小。如图9所示,50 W功率下OHP的启动时间为33 s,而在150 W功率下启动时间仅为7 s。采用Mode A-N模式,辅助热源使OHP始终处于脉动状态以促进启动,启动后关闭辅助热源,OHP恢复稳定运行。在50 W功率下,OHP可以在11 s内达到稳定运行的状态,时间缩短了22 s;在150 W功率下5 s内可以达到稳定。辅助热源对OHP启动的促进作用在低功率下更加明显,随着功率的增大,辅助热源对启动的影响作用减小。

辅助热源能够优化OHP的启动性能,缓解启动过程中的工质的停滞现象,避免温度陡降式启动的出现,使OHP更快达到稳定运行状态。然而,在稳定运行阶段,相同功率下辅助热源的存在会导致蒸发段温度升高、传热热阻和传热温差增大,从而削弱传热性能。因此,采用“辅助热源促进启动,稳定后关闭辅助热源”的运行策略,可以在不影响传热性能的前提下,有效提升OHP的启动特性。

3 结论

设计并制造了带有辅助热源的三维脉动热管(OHP),系统研究了辅助热源对OHP启动及传热性能的影响,得出如下主要结论。

(1)辅助热源不利于OHP单向流动的形成,导致蒸发段温度升高、热阻增大,从而降低整体传热性能。

(2)辅助热源可使OHP在启动阶段保持振荡状态,有效优化启动过程,显著缩短启动时间,尤其在低功率下效果更为明显。在50 W工况下,稳定运行时间由33 s缩短至11 s。

(3)提出了一种“热开关”运行策略:在启动阶段开启辅助热源,待OHP稳定运行后关闭辅助热源。该策略能够在不影响传热性能的前提下,有效提升OHP的启动特性。

热量的及时传递对于发热元件的性能与寿命至关重要,作为高效导热元件OHP的启动速度是其散热应用的重要指标。热辅助策略实现OHP数秒内的快速启动,为激光武器、导弹、航天飞行器、负载调度数据中心、磨削加工等突变热负荷场景的快速高效热疏导提供解决方案。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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