梯度潤濕表面脈動熱管傳熱性能的研究

于慧文，崔文宇，郝婷婷，馬學虎

（大連理工大學化工學院，遼寧大連116024）

脈動熱管（pulsating heat pipes, or oscillating heat pipes）依靠蒸發端與冷凝端潛熱傳遞產生的蒸汽壓差推動液彈振蕩運動，因其無需吸液芯、管路加工形式多樣、傳熱性能優良等特點[1-3]，成為電子冷卻領域中極具潛力的散熱設備。隨著電子元件的便攜化和集成化發展，脈動熱管也趨向小型化設計和加工。但脈動熱管尺寸及彎管數的減小將會顯著降低傳熱性能，尤其在無重力作用協助的水平加熱模式和豎直放置的頂部加熱模式下，低彎管數的脈動熱管由于壓差不足，無法保證蒸發段的持續供液，傳熱效率顯著降低[4-6]。曹小林等[7]發現當傾角較小時，脈動熱管內還沒有形成脈動效應時加熱段就發生燒干。因此，針對微重力或逆重力條件下脈動熱管傳熱性能惡化的問題，Chien等[8]設計了一種非均勻通道脈動熱管，在充液率大于50%時可以在任何傾斜角度運行，且實現了傳熱效率的提高。Kwon 和Kim[9]利用脈動熱管通道的雙直徑結構，增加相鄰管內液彈兩端的毛細壓差，從而促進工質在管內的循環流動。李孝軍等[10]利用脈動熱管內壁的微槽道結構，使得脈動熱管達到一定輸入功率時能夠在水平方向上啟動。然而，由于通道尺寸的減小，液彈脈動阻力增大，水平運行效率仍小于垂直運行的均勻結構脈動熱管。因此，如何實現均勻脈動熱管水平運行仍是重要的研究問題。

近期，許多學者對脈動熱管表面潤濕性能影響的研究發現，壁面潤濕性的提高對脈動熱管的傳熱性能有顯著改善[11-14]。Hao等[13-14]研究發現，親水表面脈動熱管內的汽液界面呈凹液面，液彈尾部存在一層液膜，為液彈的脈動提供了減阻作用。Srinivasan 等[15]研究發現，隨著微通道內潤濕性的提高，液彈運動過程接觸角滯后減小，液彈運動阻力降低。梯度潤濕表面是表面功能材料的一種，通過在表面構造沿長度方向均勻變化的接觸角梯度，從而定向驅動液滴及流體運動，為冷凝換熱[16-17]、熱管技術[18-20]、微流控技術[21-22]中的流體輸送提供了新的研究思路。Daniel 等[17]發現在徑向梯度潤濕分布表面上，液滴聚并過程中潤濕性較強的汽-液界面先于潤濕性較差一側達到前進角，從而發生液體整體向潤濕性較強區域的自發移動和脫落現象。紀玉龍等[23]通過控制刻蝕液濃度的方法制備了具有不同潤濕性表面的脈動熱管，隨通道浸潤程度的增強，脈動熱管的傳熱性能得到強化。Xie 等[18]和Cheng 等[20]分別通過激光刻蝕和浸泡刻蝕的方法在微熱管內表面構建了潤濕性梯度結構，有效增加了管內的毛細流動現象和傳熱能力。Singh 等[19]通過數學建模的方法對微熱管表面的梯度接觸角進行優化，結果表明，當蒸發段表面為高潤濕性、冷凝段表面為低潤濕性，且絕熱段表面為從高至低潤濕性均勻變化時，微熱管的傳熱性能最佳。

目前對脈動熱管表面潤濕性的改進研究較為局限，主要集中在親水、超親水及疏水表面等單一潤濕性表面的研究。如何實現對脈動熱管表面潤濕性的控制，從而顯著影響液彈的運動行為將成為本文的主要研究內容。本文通過控制化學刻蝕時間制備了梯度潤濕表面，通過潤濕性梯度定向驅動液體工質向蒸發段運動，解決小型脈動熱管水平操作時易燒干、不啟動以及傳熱性能差的問題。同時開展了純銅脈動熱管及梯度潤濕表面脈動熱管在不同充液率條件下的可視化觀測試驗和傳熱試驗。

1 試驗裝置

脈動熱管示意圖及測溫點位置分布如圖1(a)所示。脈動熱管總長107mm，其中蒸發段、絕熱段、冷凝段長度分別為34mm、33mm及40mm。紫銅板經由機械加工形成截面為3mm×3mm的槽道，12個相鄰槽道由U形彎管連接，形成6彎管板式閉環脈動熱管。紫銅板兩側對稱加工12 個孔徑為1.5mm的熱電偶測溫孔。通過控制刻蝕液滴加時間的方法制備了梯度潤濕表面，形成蒸發段到冷凝段接觸角均勻增大的潤濕性梯度，具體制備方法見下文。脈動熱管試驗系統如圖1(b)所示，由5 個部分構成：六彎管板式脈動熱管、加熱系統、冷卻系統、可視化系統以及溫度采集系統。加熱系統通過連接直流電源（WFDC-60V/60A）進行熱量輸入。冷卻系統由鋁冷塊和恒溫循環水?。―FY-10/25）組成，水浴溫度設定為15℃。脈動熱管測試部分的組裝示意圖如圖2 所示，包括透明聚碳酸酯蓋板（PC 板）、硅膠墊片、脈動熱管、加熱/冷凝塊和四氟板，均用螺栓組裝和拴緊。自制的銅-康銅熱電偶經過精確校正，溫度測量誤差為±0.1℃，使用時連接NI數據采集系統（NI cDAQ-9188）采集數據。通過高速攝像機（Photron Ultima APX-RS）記錄脈動熱管內液彈及汽彈的脈動圖像，幀數為1000fps。高速攝像采集圖片的像素是1280×1024，實際圖片的尺寸是120mm×100mm，每個像素點代表0.1mm，所以測試的液彈脈動振幅的誤差為0.1mm。

圖1 板式脈動熱管及測溫點位置和試驗系統示意圖

圖2 板式脈動熱管的測試部分組裝圖

試驗選用去離子水作為工作流體。較低充液率脈動熱管蒸發段的燒干現象嚴重，因此選用50%及70%作為工作流體充液率，充液率不確定度為±5%。通過改變直流電源的輸出電壓和電流調節脈動熱管的輸入功率，自100W開始每增加40W記錄一組數據，直至蒸發段溫度達到100℃。脈動熱管的傳熱性能由脈動熱管的整體熱阻進行表征，表達式如式(1)所示。

在100W的輸入功率下，蒸發段和冷凝段之間的最小溫差為20℃，則計算得到傳熱熱阻的相對不確定度如式(3)所示。

2 表面制備與表征

2.1 制備方法與表征結果

首先將紫銅脈動熱管在1mol/L 的稀硫酸中浸泡30min，接著用大量去離子水沖洗并用氮氣吹干。常溫（20℃）下，將洗凈的脈動熱管垂直放入燒杯，蒸發段置于底部。將1.5mol/L NaOH 溶液和0.06mol/L(NH4)2S2O8溶液以1∶1的體積比混合，配制成刻蝕溶液[24]，并逐滴勻速加入燒杯中。第一滴加入至最后一滴完全浸沒脈動熱管的時間為15min。將制備完畢的脈動熱管表面洗凈吹干后，得到沿長度方向具有不同微納結構的Cu(OH)2梯度潤濕表面，其掃描電鏡圖如圖3(b)所示。Cu(OH)2親水表面為一層納米草多孔結構薄膜，表面毛細效應使得水能夠迅速滲入微納結構并在表面鋪展。由于沿冷凝段（最左端坐標設置為0）到蒸發段方向刻蝕時間逐漸增加，因此脈動熱管表面的納米草粗糙結構逐漸由稀疏變為密集，形成了從83.8°（純銅表面）至0°接觸角均勻減小的潤濕性梯度。取梯度潤濕表面的不同位置對接觸角進行測量，結果如圖3(a)和圖3(c)所示。

圖3 梯度潤濕表面的靜態接觸角、不同潤濕性位置對應的掃描電鏡圖片和靜態接觸角隨位置的變化

2.2 梯度潤濕表面驅動液彈運動機理分析

在梯度潤濕表面上，液滴或微通道內的液體工質會自發地由潤濕性較差的一側向潤濕性較強的一側運動，本文中液體自發向脈動熱管的蒸發段運動。以圖4 中脈動熱管的單根梯度潤濕性通道為例，對梯度潤濕通道驅動工質運動的過程進行理論分析。脈動熱管通道總長度L=107mm，沿長度方向接觸角從83.8°均勻變化為0°。圖5 為梯度潤濕表面接觸角的實驗值與理論值的對比，本文中梯度潤濕通道的局部接觸角滿足關系式(4)[25]。

圖4 梯度潤濕通道液彈運動示意圖

圖5 接觸角隨位置的變化及擬合關系

圖6 沿通道方向驅動力的變化

沿長度方向驅動力的變化如圖6所示。從圖中可以看出，沿著流體運動方向，驅動力呈下降趨勢。在通道的各個部分，梯度潤濕通道的驅動力始終顯著大于普通表面。因此通過引入梯度潤濕通道，驅動工質自發潤濕脈動熱管的蒸發段，從而解決小型脈動熱管易燒干的問題。

3 結果與討論

3.1 豎直方向

圖7給出了豎直加熱模式下穩定運行脈動熱管內的工質流動形態。脈動熱管啟動后，液態工質主要依靠慣性力、表面張力、重力以及蒸汽壓差的共同作用回流至蒸發段。加熱功率較高時，工質由于回流不及時會出現局部燒干的現象。管內既有離散的氣泡，也有短汽彈以及長汽彈，相鄰通道的汽彈和液彈相互影響，形成穩定振蕩流動。

圖7 豎直方向脈動熱管內工質的流動形態

圖8為豎直運行時兩種表面脈動熱管的整體熱阻大小。從圖中可以看出，對于相同表面脈動熱管，50%充液率時的熱阻較低。這是由于較高充液率時液彈脈動的阻力增大，同時汽相驅動力減弱，導致傳熱性能降低。而相同充液率下，梯度潤濕表面展現出稍好的傳熱性能。這是因為隨加熱功率升高，梯度潤濕表面由于微納結構的親水效應，在液彈尾部形成一層薄液膜，從而有效地避免了蒸發段局部燒干的情況，改善了脈動熱管的傳熱性能。50%充液率時，梯度潤濕表面脈動熱管的熱阻由0.205℃/W降至0.107℃/W，傳熱性能較純銅脈動熱管提升了0.5%～5.4%。

圖8 豎直方向脈動熱管的熱阻隨輸入功率的變化

3.2 水平方向

3.2.1 可視化觀測結果

圖9 水平方向脈動熱管內工質的形態及其示意圖（充液率為50%）

圖9為水平加熱模式下純銅及梯度潤濕表面脈動熱管在各加熱功率下達到穩態運行時的圖像及示意圖。在水平加熱模式下，純銅脈動熱管內由于沒有重力支持冷凝液回流，隨加熱功率的上升，液體逐漸集聚在脈動熱管的冷凝段和絕熱段，蒸發段出現嚴重燒干的現象，如圖9(a)所示。僅在輸入功率達到300W以上時，由于蒸汽壓差增大，液彈有0～2mm的局部脈動。

梯度潤濕表面脈動熱管在加熱功率達到260W以上時則能夠很好地啟動和運行，如圖9(b)所示。在較高加熱功率時，一方面由于蒸汽壓差增加，另一方面，梯度潤濕表面對液彈的前驅液面存在毛細驅動力，使得液彈前端向潤濕性較強的蒸發段運動。冷凝液在二者的共同作用下以回流形式潤濕蒸發段，并在壁面發生相變，使得蒸汽壓力迅速升高。膨脹的蒸汽推動U形管兩側的工質向絕熱段和冷凝段運動，從而使脈動熱管順利啟動。隨著膨脹汽彈的上升，液彈被分隔成離散的長液彈和短液彈，到達冷凝段后遇冷放出熱量，由于表面張力、蒸汽壓差及梯度潤濕驅動力的作用再次回流至蒸發段，并循環上述環節，實現脈動熱管水平加熱模式下的穩定運行。

由于脈動熱管內80%～90%的能量傳遞均來自于液彈脈動產生的顯熱[26]，因此液彈脈動越劇烈，脈動熱管的傳熱性能越佳。通過對可視化圖像的處理，分析了脈動熱管穩態運行時2.5s內梯度潤濕表面脈動熱管內汽液界面脈動的相對位置及瞬時速度隨時間的變化，結果如圖10 所示。液彈脈動的時均位置定義為0，液彈脈動瞬時位置定義為與時均位置的距離。加熱功率100～340W范圍內，紫銅脈動熱管內液彈幾乎無運動。而相同操作條件下，梯度潤濕表面脈動熱管由于梯度潤濕驅動力可以穩定運行。同時由于Cu(OH)2微納結構表面具有較強的毛細作用，可以在熱管壁面形成一層薄液膜，有效降低了液彈脈動時與壁面間的摩擦阻力，增加了液彈脈動的振幅和速度。同時從圖10 可以看出，液彈的脈動運動呈現出局部小幅振蕩與大幅爆發振蕩交替發生的運動模式。這是因為即便有梯度潤濕表面的存在，水平方向上液體的回流量仍然較少，導致蒸汽壓差不足，從而發生局部的小幅度振蕩。之后隨著能量累積，逐漸增加的蒸汽壓差推動冷凝段的液彈越過頂部U形管而流入相鄰通道，使得大量工質回流至蒸發段，形成短暫且大幅度的單向振蕩流動，可視化觀測如圖9(b)所示。當充液率為50%時，梯度潤濕表面脈動熱管內汽液界面的脈動幅度最為劇烈，為-33～46mm，液彈脈動頻率約為8.5Hz，最大振幅約為純銅脈動熱管的20 倍。70%充液率時汽液界面的脈動幅度為-53～35mm，脈動頻率為約6.5Hz。脈動的最大瞬時速度在50%及70%充液率下分別為3.0m/s 及2.1m/s，平均速度分別為0.55m/s及0.36m/s。

圖10 梯度潤濕表面脈動熱管水平運行時汽液界面脈動的相對位置及瞬時速度隨時間的變化（輸入功率為340W）

3.2.2 壁面溫度和熱阻

圖11 水平方向脈動熱管的壁面溫度分布隨加熱功率的變化

圖12 水平方向脈動熱管穩態運行階段壁面的溫度分布

脈動熱管內液彈振蕩運動是壁面溫度發生波動的主要原因，因此可通過壁面的溫度波動分析液彈的運動規律。圖11 為純銅及梯度潤濕表面脈動熱管水平運行時壁面溫度分布隨加熱功率的變化。對于水平方向運行的光滑紫銅表面，50%充液率時幾乎沒有溫度振蕩。70%充液率條件下，輸入功率為300W 時存在短暫溫度振蕩，表明管內出現了短暫的液彈脈動現象。但隨著加熱功率的升高，蒸發段完全燒干，溫度振蕩停止，如圖11(a)所示。因此可以認為紫銅脈動熱管在水平操作時無法有效運行。而具有納米草結構的梯度潤濕脈動熱管在加熱功率260W以上時，由于液彈開始脈動而持續存在溫度振蕩，如圖11(b)所示。圖12是加熱功率為340W時，脈動熱管穩定運行階段壁面溫度的分布。從圖中可以看出，紫銅脈動熱管壁面溫度趨于恒定，而梯度潤濕脈動熱管壁面溫度波動的振幅顯著大于紫銅脈動熱管。同時通過液彈的振蕩運動使蒸發段的熱量傳遞到冷凝段進行散熱，相同的加熱功率下，梯度潤濕脈動熱管的蒸發段與冷凝段的壁面溫度差顯著小于紫銅脈動熱管。

圖13 為純銅及梯度潤濕表面脈動熱管水平加熱模式下的熱阻大小。相較于豎直方向，水平運行時由于缺乏重力作用輔助回流，脈動熱管的傳熱性能顯著降低。50%充液率時，梯度潤濕表面脈動熱管的整體傳熱性能下降了6%～33%，純銅脈動熱管下降了8%～103%。純銅脈動熱管在水平運行時，由于蒸發段燒干現象嚴重，脈動熱管無法工作，因此熱阻維持在一個較高的數值。由于液彈脈動的劇烈程度顯著影響脈動熱管的傳熱性能，因此相比于純銅脈動熱管，梯度潤濕表面脈動熱管在水平加熱模式時傳熱性能顯著提高，熱阻隨加熱功率增加而不斷下降。充液率為50%及70%時，梯度潤濕表面脈動熱管的整體熱阻分別由0.218℃/W 降至0.122℃/W、0.226℃/W 降至0.176℃/W，相同操作條件下與紫銅脈動熱管相比，熱阻分別能夠最大降低45%（380W）和21%（340W）。

4 結論

本文將梯度潤濕表面引入脈動熱管中，在水平加熱模式下定向驅動工質向蒸發段運動，從而提高脈動熱管水平工況下的傳熱性能。通過可視化觀測手段和傳熱性能試驗，得到了以下結論。

（1）對于豎直運行的脈動熱管，梯度潤濕表面可以避免蒸發段局部燒干的情況，充液率為50%時的熱阻較純銅脈動熱管降低了0.5%～5.4%。

（2）水平運行時，純銅脈動熱管蒸發段完全燒干。而梯度潤濕表面脈動熱管當達到一定加熱功率時順利啟動，并形成穩定的液彈脈動，50%充液率時液彈脈動的最大振幅為純銅脈動熱管的20 倍。同時梯度潤濕表面脈動熱管的傳熱性能得到顯著強化，相比于純銅脈動熱管，熱阻能夠最多降低45%。因此，可以認為梯度潤濕表面是改善脈動熱管水平運行性能的有效手段。

符號說明

h—— 脈動熱管的通道高度，mm

I—— 輸出電流值，A

L—— 脈動熱管的通道總長，mm

p—— 壓力，Pa

Qe—— 脈動熱管的輸入功率，W

R—— 脈動熱管的整體熱阻，℃/W

T—— 溫度，℃

U—— 輸出電壓值，V

x—— 沿冷凝段至蒸發段方向的坐標，mm

θ—— 靜態接觸角，(°)

θx，θ0，θL——x處、x=0和x=L處的靜態接觸角大小，(°)

σ—— 水的表面張力，N/m

下角標

a —— 絕熱段

c —— 冷凝段

e —— 蒸發段