振蕩熱管工作原理

在一管內(nèi)抽成真空的彎曲毛細(xì)管中，充有一定量的工作介質(zhì)，該介質(zhì)在冷熱端溫差及表面張力的作用下形成汽、液塞狀流隨機(jī)地出現(xiàn)在管路中， 這樣，由于兩端間存在壓差以及相鄰管子之間存在的壓力不平衡，使得工質(zhì)在蒸發(fā)端和冷凝端之間振蕩流動(dòng)，即通過(guò)相變和液塞的振蕩實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞.其傳熱現(xiàn)象集沸騰、蒸發(fā)、冷凝、脈沖振蕩于一體，這些物理過(guò)程并非是彼此孤立和簡(jiǎn)單地疊加，而是一個(gè)有機(jī)互動(dòng)整體過(guò)程，到目前為止人們對(duì)其運(yùn)行機(jī)理已有初步了解。

振蕩熱管由蛇形毛細(xì)管組成，包括若干直管段和彎頭，一般情況下分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。

振蕩熱管有三種基本形式，即閉式回路型振蕩熱管、帶單向閥的閉式回路型振蕩熱管及開(kāi)路型振蕩熱管。工作時(shí)，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，部分工質(zhì)蒸發(fā)產(chǎn)生汽泡，形成間隔分布的液柱和氣塞，同時(shí)使蒸發(fā)段的壓力升高，蒸發(fā)段和冷凝段產(chǎn)生壓力差，從而提供工質(zhì)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。

1、沸騰階段

蒸發(fā)段工質(zhì)被加熱，就在管壁氣化核心處產(chǎn)生劇烈沸騰，產(chǎn)生小氣泡且不斷擴(kuò)大，形成氣塞；長(zhǎng)液塞被分段，形成液塞.如采用底部加熱方式，則氣塞、液塞整體上移。

2、過(guò)渡階段

運(yùn)行初期管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)方向不定，當(dāng)兩液塞相遇時(shí)，壓力大的一側(cè)推動(dòng)壓力小的一側(cè)流動(dòng)，直到整個(gè)熱管中介質(zhì)形成單向循環(huán)流動(dòng)。

3、穩(wěn)定運(yùn)行階段

在此階段，介質(zhì)周期性、有規(guī)律的停頓、徘徊，短暫停頓后繼續(xù)運(yùn)行，如此反復(fù).根據(jù)振蕩流熱管的運(yùn)行機(jī)理， 可以得出兩種途徑來(lái)強(qiáng)化振蕩流熱管的傳熱： 一是強(qiáng)化管內(nèi)工作流體與熱管壁面之間的換熱； 二是提高管內(nèi)的振蕩頻率與循環(huán)動(dòng)力。

影響振蕩熱管傳熱性能的主要因素包括振蕩熱管的管徑、彎頭數(shù)、充液率、傾斜角度及工質(zhì)物性等。

1、管徑的影響

振蕩熱管對(duì)管內(nèi)徑的大小有一定要求，Akachi認(rèn)為，管內(nèi)徑最大值需滿足方程

式中

這一準(zhǔn)則是根據(jù)毛細(xì)管內(nèi)液塞－汽泡系統(tǒng)中表

面張力和重力的平衡方程推演而來(lái)的。當(dāng)振蕩熱管內(nèi)徑大于該臨界內(nèi)徑時(shí)，汽泡會(huì)在重力的影響下，上升至液面而無(wú)法形成穩(wěn)定的液柱－氣塞系統(tǒng)，振蕩熱管也就無(wú)法啟動(dòng)。Dobson等認(rèn)為振蕩熱管存在最小臨界內(nèi)徑，即

如果振蕩熱管的內(nèi)徑太小，管內(nèi)流動(dòng)阻力就會(huì)顯著增加，從而加大振蕩熱管的啟動(dòng)難度，影響其振蕩效果。

2、充液率的影響

充入工質(zhì)的體積占振蕩熱管總?cè)莘e的百分比稱為充液率（F_r）。充液率的大小直接影響振蕩熱管的啟動(dòng)和傳熱性能。充液率通常在20%～80%之間，當(dāng)Fr小于20%時(shí)，振蕩熱管容易發(fā)生燒干現(xiàn)象；當(dāng)F_r大于80%時(shí)，振蕩現(xiàn)象微弱，傳熱效果差。

振蕩熱管存在一個(gè)最佳充液率，在該充液率下，振蕩熱管的傳熱性能最好。大量的研究表明，最佳充液率與振蕩熱管的結(jié)構(gòu)尺寸、工質(zhì)種類(lèi)、加熱功率、加熱位置和傾角有關(guān)。

3、傾斜角度和彎頭數(shù)影響

當(dāng)傾斜角度θ=0°時(shí)，振蕩熱管熱阻很高，傳熱性能很差；當(dāng)傾斜角度θ≤10°時(shí)，傳熱性能對(duì)傾斜角度極為敏感，工作不穩(wěn)定；當(dāng)30°≤θ≤90°時(shí)，傾斜角度對(duì)振蕩熱管的產(chǎn)熱性能影響很小，振蕩熱管性能穩(wěn)定。

彎頭數(shù)的多少直接影響管內(nèi)氣液兩相分布及振蕩熱管的振蕩幅度，從而影響振蕩熱管的啟動(dòng)特性和傳熱性能。振蕩熱管的彎頭數(shù)存在一個(gè)臨界值，當(dāng)彎頭數(shù)大于該臨界值時(shí)，振蕩熱管的熱阻與傾斜角度無(wú)關(guān)，實(shí)驗(yàn)得出的臨界彎頭數(shù)為80。

臨界彎頭數(shù)與振蕩熱管的內(nèi)徑、工質(zhì)種類(lèi)和加熱功率有關(guān)。當(dāng)彎頭數(shù)小于臨界值時(shí)，傾斜角θ=0°時(shí)振蕩熱管傳熱性能極差，甚至無(wú)法啟動(dòng)，隨著彎頭數(shù)的增加，振蕩熱管更容易啟動(dòng)，傳熱性能更好，運(yùn)行也更加穩(wěn)定。

4、工質(zhì)熱物性的影響

工質(zhì)熱物性對(duì)振蕩熱管傳熱性能具有重要影響，為獲取較高的傳熱性能，工質(zhì)一般應(yīng)滿足以下要求：

（1）汽化潛熱適當(dāng)、比熱盡可能大。振蕩熱管以顯熱、潛熱兩種方式傳遞熱量，以顯熱形式傳遞的熱量沾90%以上，潛熱傳熱僅占不到10%，較小的汽化潛熱不僅有利于氣泡在蒸發(fā)段生成和聚合，也有利于汽泡在冷凝段冷凝破裂，從而有利與工質(zhì)的震蕩與流動(dòng)，傳熱能力也越強(qiáng)，但當(dāng)潛熱過(guò)小時(shí)，容易發(fā)生蒸干。比熱大，單位流體攜帶熱能能力強(qiáng)，也有利于熱量的傳遞。

（2）動(dòng)力粘度小。動(dòng)力粘度小的工質(zhì)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切力小，振蕩熱管容易啟動(dòng)。

（3）表面張力適當(dāng)。表面張力越小，工質(zhì)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的附加壓降越小，有利于振蕩熱管的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行；而較大的表面張力有利于形成氣液相間分布，因此表面張力的影響有待進(jìn)一步研究。

雖說(shuō)目前對(duì)振蕩熱管的研究還處于實(shí)驗(yàn)和理論建模探索階段， 但由于其自身的優(yōu)點(diǎn)， 許多振蕩熱管產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室中走出來(lái)，在工程實(shí)際中得到了應(yīng)用。

（1）電子元器件散熱

隨著電子科技的進(jìn)步， 電子元器件的體積越來(lái)越小， 集成度越來(lái)越高， 功耗也越來(lái)越大[6].傳統(tǒng)的空氣自然或強(qiáng)制對(duì)流散熱顯然已不能滿足電子技術(shù)發(fā)展的需求， 迫切需要開(kāi)發(fā)小而輕、強(qiáng)散熱能力、低成本的新型傳熱裝置.振蕩熱管可以作為一種高效的導(dǎo)熱元件廣泛地應(yīng)用于電子元器件冷卻領(lǐng)域。

近年來(lái)日本開(kāi)發(fā)的用于CPU無(wú)風(fēng)扇散熱器NCU-1000 ，主體和散熱翅均由鋁-HFC134a板式振蕩熱管制作， 具有散熱效率高、無(wú)噪聲、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

（2）應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器

回路型振蕩熱管應(yīng)用到太陽(yáng)能收集器，大約能夠收集到62%的太陽(yáng)能，與傳統(tǒng)昂貴的熱管系統(tǒng)效率相當(dāng)。此外應(yīng)用回路型振蕩熱管的太陽(yáng)能收集器還具有防腐、冬季不會(huì)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。

（3）應(yīng)用于余熱回收

單向止回閥的回路振蕩熱管（R134a 作為工質(zhì)，50%的充液率）可應(yīng)用于干燥系統(tǒng)，充分利用余熱來(lái)預(yù)熱空氣，降低相對(duì)濕度.實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)空氣溫度升高，風(fēng)速降低，系統(tǒng)的換熱性能有所提高，相對(duì)濕度由89%～100%降至54%～72%。

（4）應(yīng)用于地板采暖

振蕩熱管應(yīng)用于地板采暖系統(tǒng)， 具有熱響應(yīng)快， 溫升高， 節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)， 與傳統(tǒng)的聚乙烯管式采暖系統(tǒng)相比， 該系統(tǒng)可節(jié)省30%的能源消耗。集熱系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)完全獨(dú)立，減少了系統(tǒng)的相互影響，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的承壓要求。該系統(tǒng)熱穩(wěn)定性好，連續(xù)供熱能力強(qiáng)，與自動(dòng)控制系統(tǒng)配合后，此太陽(yáng)能地板輻射采暖系統(tǒng)可以連續(xù)、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

（5）除了上述應(yīng)用外， 涉及傳熱的領(lǐng)域大多可以應(yīng)用振蕩熱管， 尤其是用于小空間高熱流密度的散熱場(chǎng)合。

今后振蕩熱管技術(shù)研究發(fā)展應(yīng)該從以下幾方面著手。

（1）尋找振蕩熱管的最佳工作條件，對(duì)各個(gè)參數(shù)的相互影響進(jìn)行系統(tǒng)研究；

（2）改進(jìn)現(xiàn)有的理論模型，考慮多因素影響，盡可能逼近管內(nèi)實(shí)際運(yùn)行情況，更好地從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)振蕩熱管的工作過(guò)程；

（3）將振蕩熱管應(yīng)用到工業(yè)實(shí)踐中，對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)際工業(yè)使用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn)；

（4）拓寬振蕩熱管的應(yīng)用領(lǐng)域，使其為社會(huì)做出更大貢獻(xiàn)。 2100433B

低頻振蕩器（low-frequencyoscillator，或稱LFO）是指產(chǎn)生頻率在0.1赫茲到10赫茲之間交流訊號(hào)的振蕩器。這個(gè)詞通常用在音訊合成中，用來(lái)區(qū)別其他的音訊振蕩器。2100433B

由圖3集成運(yùn)放文氏電橋振蕩器可知，一節(jié)導(dǎo)前移相或滯后移相電路實(shí)際能產(chǎn)生的相移量小于90°（當(dāng)相移趨近于90°時(shí)，增益已趨于零，所以，至少要三節(jié)RC移相電路才能產(chǎn)生180°相移。由三節(jié)移相電路和反相放大器就可以組成正反饋振蕩器。

圖4給出了由三節(jié)導(dǎo)前移相電路和集成運(yùn)放組成的RC相移振蕩器。該振蕩器的振蕩頻率和振幅起振條件分別為：

RC相移振蕩器是采用內(nèi)穩(wěn)幅的振蕩電路，RC移相電路的選頻性能又很差，因而輸出波形不好，頻率穩(wěn)定度低，只能用在性能要求不高的設(shè)備中 。2100433B