图1 径向平板热管
图2 轴向平板热管
在平板热管运行时，存在工质蒸发沸腾、蒸气输运、蒸气凝结、液体回流输运4个过程，热量伴随工质的相变和输运从蒸发段转移至冷凝段。传热过程主要受平板热管结构、吸液芯结构、填充工质等影响，为提升平板热管传热性能，国内外研究学者多从这些方面进行研究。
李小凤等人［2］将外形尺寸（长×宽×厚）为60.0 mm×22.0 mm×3.5 mm，蒸发段、绝热段、冷凝段长度分别为20 mm，蒸气腔高为2 mm，侧壁厚度为0.5 mm的平板微热管作为研究对象。运用多物理场有限元仿真软件Comsol，对吸液芯分别带矩形槽道、梯形槽道、正六边形槽道时平板微热管工作性能进行研究。3种槽道形状见图3。图3中数值对应单位为mm。3种槽道的宽均为0.09 mm，深均为0.2 mm，槽道数量均为30。研究结果表明，采用正六边形槽道的平板微热管比采用矩形槽道、梯形槽道的平板微热管具有更好的传热性能。当槽道结构相同时，采用水作为工质比乙醇具有更好的传热性能。
图3 3种槽道形状
陆宁香等人［3］对图4中的平板热管进行实验研究，平板热管选用紫铜和硅橡胶作为管壳材料，纤维毡作为吸液芯材料，各部件之间使用硅胶黏结剂连接，对均匀孔径吸液芯、变孔径吸液芯平板热管进行实验研究。均匀孔隙吸液芯、变孔隙吸液芯结构见图5。变孔径吸液芯结构1为从冷凝段向蒸发段孔径变小，变孔径吸液芯结构2为从冷凝段向蒸发段孔径变大。实验发现，与采用均匀孔径吸液芯的平板热管相比，采用变孔径吸液芯的平板热管具有更好的传热性能，启动时间更短。
图4 文献［3］研究的平板热管结构
图5 均匀孔径吸液芯、变孔径吸液芯结构
赵兰萍等人［4］以动力电池用多孔平板热管作为研究对象。多孔平板热管外形及内部结构见图6。平板热管内设置6条蒸气腔，蒸发段底部还设置了汇流腔，使各蒸气腔实现连通。蒸气腔内壁面积保持不变，建立正方形截面、长方形截面蒸气腔，与圆形截面蒸气腔进行性能对比。对比发现，相比于圆形截面蒸气腔，长方形截面蒸气腔具有更大的蒸发传质率、冷凝传质率和管内平均流速。
图6 多孔平板热管外形及内部结构
除吸液芯结构外，平板热管的布置方式也是影响其传热性能的重要因素。倾角指平板热管与水平面的夹角。当冷凝段高于蒸发段时，倾角大于0°，重力促进液态工质回流（称为顺重力环境）。当冷凝段与蒸发段处于同一水平面位置时，倾角为0°，可基本忽略重力对工质的影响。当冷凝段低于蒸发段时，倾角小于0°，重力阻碍液态工质回流（称为逆重力环境）。王岗等人［5］研究了以丝网芯-泡沫铜与微沟槽组成复合吸液芯的平板微热管在不同倾角下传热性能，研究发现，当倾角小于-10°时，平板微热管性能明显恶化，并且复合吸液芯对平板微热管传热无强化作用。董良好等人［6］研究了相同条件下倾角对平板微热管性能的影响，当倾角为45°时平板微热管的启动和传热性能最佳。
填充工质也是决定其传热性能的重要影响因素。张明等人［7］设计了一种在腔体充入磁流体（一种新型功能材料，又称磁性液体、铁磁流体或磁液）的超薄碟形平板热管。在相同运行工况下，与以水作为工质的碟形平板热管相比，以磁流体为工质的碟形平板热管的性能更优，并具有优良的均温性。覃超等人［8］采用水基多壁碳纳米管（MWNT）悬浮液作为工质，实验结果显示平板热管的传热性能增加80%，最大热流密度提升25%，传热热阻减小约50%。在质量分数为2.0%时，平板热管的传热性能最佳。Shafahi等人［9］对矩形截面的平板热管分别加入3种含金属氧化物纳米工质（分别添加三氧化铝、氧化铜、氧化钛），模拟得出采用含金属氧化物纳米工质的热管具有更加优越的换热效果的结论。
3 平板热管的应用
由于平板热管质量轻、传热高效、形式多样，因而在诸多领域得到广泛应用。电子芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，导致芯片的热流密度迅速升高，电路及芯片散热问题格外突出。平板热管具有极高的传热能力和良好的均温性，对各种工况的适应性极强，因而正成为实现电子元器件在小空间、高热流密度条件下有效散热的传热元件。
Jung等人［10］基于液体薄膜理论提出了一种可预测平板微热管传热传质性能的瞬态分析模型，通过该模型可以得到平板微热管内蒸气和液体的质量流量、压力、温度分布。王裴等人［11］提出了吸液芯带锯齿状槽道的平板微热管，锯齿状结构扩大了槽道面积从而强化了传热。热性能分析得出，该平板微热管在任何工况下均能保持良好的均温性。Suman等人［12］研究了以硅片为吸液芯槽道材料，戊烷为工质的吸液芯带三角形槽道平板微热管的传热与瞬态性能，结果显示，平板微热管倾角、液态工质黏度以及热管长度的增加均易导致平板微热管性能的降低。焦永刚等人［13］通过实验对比了吸液芯带U形微槽道与无槽道的热管阵列散热器传热性能，结果显示，吸液芯带U形微槽道热管阵列散热器具有更好的均温性、热响应性以及传热性能，槽道的设计对热管传热性能的强化具有明显作用。
在储能方面，李嘉琪等人［14］研制了采用石蜡作为蓄热材料的平板热管式相变蓄热换热器，分析了在蓄放热过程中的均温性与蓄放热效率。王增义等人［15］对以石蜡为蓄热材料的相变蓄热式热管换热器的温度分布进行测定，并分析了蓄放热过程中热量随时间的变化，结果显示，热管在换热器中能够高效传热，较好地实现各项功能。李凤飞等人［16］提出了一种以月桂酸为相变材料的平板微热管阵列低温相变蓄热装置，实验发现，该相变蓄热装置在蓄热、放热过程中均能表现出良好的均温性，工作高效且稳定，表现出优良的蓄放热性能。
除了能源领域外，平板热管在建筑保温材料方面也得到了广泛应用。杨洋等人［17］提出一种利用浅层地热、太阳能热水、工业余热等低温热源的平板热管阵列热激活保温墙体（为降低墙体散热损失，甚至实现辅助供暖），研究了在不同倾角和热源温度下热激活保温墙体的热工性能。罗亮等人［18］提出了将太阳能热泵与平板热管相结合的新型光伏光热墙体-热泵系统，在广州地区冬季阴天时，系统平均集热效率达40.36%，光电转化效率达8.98%。在晴天时，系统平均集热效率达46.69%，光电转化效率达10.08%。
柳天明等人［19］将平板微热管阵列应用于日光温室墙体中，研究平板微热管在不同弯曲半径与角度下的传热特性。蒸发段与冷凝段保持为直管段，只有绝热段弯曲。与常规日光温室墙体相比，弯曲的平板微热管阵列蓄热墙体的平均蓄热速率、放热速率分别提高12.4%、15.6%，能够有效提升日光温室墙体的蓄放热性能。
4 平板热管的理论与实验研究
由于平板热管内工质的热-质耦合传递过程复杂，难以通过数学模型来表达，因此通常需要结合实验对数值模拟结果加以验证。
丹聃等人［20］采用扩散受限聚集模型对平板热管中的多孔材料吸液芯进行三维重构，并对稳态导热条件下的传热性能进行数值计算，研究表明，吸液芯等效热导率随孔隙率增大而减小，多孔材料颗粒直径越小该趋势越明显。在小孔隙率下吸液芯等效热导率随颗粒直径增加而减小，大孔隙率条件下则相反。罗天成［21］基于FLUENT软件对平板热管蒸发段内热质传递过程进行数值模拟，结果显示，将亲水材料应用于蒸发段可加速气泡脱离与工质回流。王悦齐等人［22］基于数字建模的方法对一种用于航空锂离子电池热管理的平板热管进行设计与性能评估，结果表明，散热翅片结构优化后的平板热管散热能力与水冷方案相当，同时系统可减重20%，能耗降低约63%。Xin等人［23］建立了关于吸液芯带沟槽的平板热管传热传质过程的数学模型，研究沟槽结构参数及布置情况对热管性能的影响。
杨辉著等人［24］研究了泡沫铜吸液芯的平板热管在高热通量和逆重力环境中的传热特性，实验结果显示，充液率为20%时平板热管性能最佳。郭威［25］通过可视化手段观察平板热管在不同倾角和充液率下运行时的两相流情况，结果显示，热管水平放置运行与逆重力环境运行时工质以蒸发形式发生相变，而顺重力环境运行时由于液体堆积在蒸发端导致工质先进行沸腾，然后逐渐转变为蒸发。吴国强等人［26］实验定量分析了平板热管在弯折90°、135°以及未弯折（见图7，图中数值对应单位为mm）时的性能差异，实验结果显示，弯折90°的平板热管传热性能最差，未弯折的平板热管传热性能远优于弯折135°的平板热管。
图7 文献［26］研究对象
祖帅飞［27］通过水冷实验台测试了丝网型吸液芯平板热管的传热性能，结果表明，单层丝网吸液芯的平板热管热阻最小，且传热性能随倾角增大而增强。
5 结束语
国内外的研究学者对平板热管的传热机理与流动状态开展了大量模拟与实验研究，为平板热管的应用提供了理论与数据支撑。平板热管已经在散热、蓄热、建筑墙体保温等领域得到广泛应用。随着电子元器件的微型化，高热流密度元器件的散热将成为平板热管又一重要应用领域。
参考文献：
［ 1 ］ 陈金建，汪双凤. 平板热管散热技术研究进展［J］. 化工进展，2009（12）：2105-2108.
［ 2 ］ 李小凤，潘中良. 平板微热管三种槽道结构的传热性能分析［J］. 电子与封装，2022（4）：25-30.
［ 3 ］ 陆宁香，李金旺，杨茂飞. 变孔隙毛细芯平板热管性能［J］. 化工进展，2022（12）：6235-6244.
［ 4 ］ 赵兰萍，郑振鹏，郭本涛，等. 结构因素对动力电池用多孔平板热管性能的影响［J］. 同济大学学报（自然科学版），2020（4）：559-565.
［ 5 ］ 王岗，杨永清，余万，等. 不同孔径泡沫铜填充对平板微热管传热特性的影响［J］. 农业工程学报，2022（10）：54-60.
［ 6 ］ 董良好，于恬淼，杨金钢. 倾角对微热管平板性能影响的实验研究［J］. 吉林建筑大学学报，2020（3）：26-30，47.
［ 7 ］ 张明，刘中良. 磁流体平板热管热性能的实验研究［C］// 中国工程热物理学会. 中国工程热物理学会2008年传热传质学学术会议. 郑州：中国工程热物理学会，2008：824-826.
［ 8 ］ 覃超，刘振华. 碳纳米管悬浮液在微槽道热管中的应用［J］. 上海交通大学学报，2010（4）：566-570.
［ 9 ］ SHAFAHI M，BIANCO V，VAFAI K，et al. Thermal Performance of Flat-Shaped Heat Pipes Using Nanofluids［J］. International Journal of Heat & Mass Transfer，2010（7/8）：1438-1445.
［10］ JUNG E G，BOO J H. A Novel Transient Thermohydraulic Model of a Micro Heat Pipe［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，140：819-827.
［11］ 王裴，张亚平，郭永晞，等. 新型沟槽道微热管散热性能实验研究［J］. 低温与超导，2020（4）：66-72.
［12］ SUMAN B，DE S，DASGUPTA S. A Model of the Capillary Limit of a Micro Heat Pipe and Prediction of the Dry-Out Length ［J］. International Journal of Heat & Fluid Flow，2005（3）：495-505.
［13］ 焦永刚，刘双婷，高博，等. 微槽道热管阵列散热器的传热性能实验研究［J］. 低温与超导，2019（12）：67-71.
［14］ 李嘉琪，刁彦华，赵耀华，等. 新型平板热管相变换热器储放能过程的研究［J］. 工程热物理学报，2012（11）：1932-1935.
［15］ 王增义，刘中良，马重芳. 热管式相变蓄热换热器储/放能过程中传热特性的实验研究［J］. 工程热物理学报，2005（6）：989-991.
［16］ 李凤飞，刁彦华，赵耀华，等. 平板微热管式相变蓄热装置蓄放热特性研究［J］. 工程热物理学报，2016（6）：123-124.
［17］ 杨洋，陈萨如拉，常甜馨，等. 基于平板热管阵列的热激活主动保温墙体实验研究［J］. 太阳能学报，2023（5）：257-264.
［18］ 罗亮，王仙玲，刘光明，等. 基于微通道平板热管的新型光伏光热墙体/热泵系统—性能实验研究［J］. 西安理工大学学报，2022（1）：13-19.
［19］ 柳天明，管勇，孟齐，等. 基于日光温室墙体蓄热需求的弯曲微热管阵列传热特性试验［J］. 节能，2022（9）：1-4.
［20］ 丹聃，郭少龙，张扬军，等. 平板热管多孔毛细芯等效导热系数预测［J］. 中国科学，2021（1）：55-64.
［21］ 罗天成. 微结构表面平板热管传热性能的数值模拟与优化研究（硕士学位论文）［D］. 广州：广东工业大学，2020：29-36.
［22］ 王悦齐，钱煜平，谢翌，等. 平板热管式锂离子电池热管理系统仿真分析研究［J］. 推进技术，2024（3）：177-188.
［23］ XIN F，MA T，WANG Q. Thermal Performance Analysis of Flat Heat Pipe with Graded Mini-Grooves Wick［J］. Applied Energy，2018，228：2129-2139.
［24］ 杨辉著，兰精灵，杨月，等. 高功率平板热管传热性能的实验研究［J］. 化工学报，2023（4）：1561-1569.
［25］ 郭威. 基于丝网型吸液芯的平板热管传热特性试验研究（硕士学位论文）［D］. 大连：大连理工大学，2022：25-54.
［26］ 吴国强，苟湘. 异型平板热管传热性能的实验研究［J］. 电源技术，2020（9）：1305-1308.
［27］ 祖帅飞. 基于丝网芯的超薄平板热管传热传质特性研究（硕士学位论文）［D］. 广州：华南理工大学，2021：33-47.
摘自《煤气与热力》2025年２月刊>>>
平板热管的研究现状与发展
江浩文
（福建水利电力职业技术学院电力工程学院，福建永安366000）返回搜狐，查看更多