回路振荡热管运行机理探讨

    电子器件和设备的散热除了自然散热过程外，通过增加散热元件实现热量的迁移和传递可达到一定的散热效果。但随着电子元器件集成度的提高，半导体制造工艺的 完善，电子设备体积越来越小，而发热量却越来越大;电子部件的过热问题日趋严重;传统的散热标准和强制空气对流冷却的方法已行不通。因此，需要一种具有高 效传热率和维持恒温的冷却装置。

    振荡热管是90年代出现的一种新型热管，它的运行原理及传热特性与传统热管有很大不同，其工作原理为:由一根细长的毛细管(一般内径为0. 5~3 mm)进行多次弯曲，呈蛇行闭式环路。热管一端为加热端，一端为冷凝端。在热作用下，小管径内形成汽液塞状流，通过汽液塞状流的振荡和循环流动，实现热传 递。其优点是体积小，当量导热系数大，结构简单，不需毛细结构，也没有传统热管的毛细极限，并可随意弯曲。因此具有传统热管无法比拟的优越性，并得到越来 越广泛的应用[1].

    本文通过对回路振荡热管稳定性实验研究，观察其振荡及稳定循环流动的特征及现象，分析传热、振荡及加热方式等的相互关系，并对其振荡热管的运行机理进行一些讨论与分析。

    1 实验装置

    振荡热管采用玻璃管制成。工质为水，玻璃方箱作冷水箱，加热端采用电阻丝加热。热管高300 mm,内径1. 5 mm，外径3 mm，加热段长100 mm，冷却段长80 mm，冷却采用水冷，温度为20℃。实验装置见图1.

    2 回路振荡热管的运行现象

    热管内充有一定充液率的液体，在热源提供之前，可观察到不同长度的小液柱分段随机分布在热管里。这表明，细小管径中，液体表面张力的影响加大，而重力的影响减少。

    核态沸腾产生阶段:加热端的工作液体被加热，产生激烈的噪音，是因为管道内壁面温度高于工作流体的饱和温度，并有一定的过热度时，就在管壁的汽化核心处发生爆炸的沸腾现象[3].

    汽柱形成及流体整体上移阶段:底加热方式中，其加热端由于不断的热量输入，管内工作流体发生核态沸腾，产生小汽泡，附着在管壁上，随着热量的积累，小 汽泡逐渐长大，浮力使小气泡上升，汇合并形成一段汽柱，原来的长液柱被分段，并对其周围液体产生扰动，同时汽柱的形成和长大推动其上面的液柱向上运动，可 看到并列的多个弯管内工作液体的整体上移，见图2.

    过渡阶段:当多个管中工作流体同时上移动时，总有一最外侧管子的工作流体向下流动，整个回路热管的流动方向不一致。随着管中工作液体的上移，同时伴随着不 凝性气体的压缩，冷凝端的液体柱重和向下压力加大，处于下部加热端的工作介质必须承受更大的压力和提供更大的推力。当相邻两弯管中的液体在冷凝端转弯处相 遇时，由于其流动方向相对，因此推动力大的一方将推动另一方向下流动，从而改变其原有的向上流动方向。这种转变是从两边逐渐向中间转移的。直到整个回路热 管中的流体形成了单向循环流动，当这种单向流动能维持并保持不变时，标志着流体的流动从起始状态转变为稳定运行状态，见图3.