杨金钢, 钮鑫鑫

(吉林建筑大学市政与环境工程学院， 长春 130118)

平板微热管是通过微小空间的毛细力驱动工质的蒸发冷却完成相变导热的传热器件。1965年，完整的热管理论由Cotter率先提出，1984年他在第五届国际热管会议上又首次提出了“微型热管”的概念，为后来热管的性能分析和设计研究奠定了理论基础[1]。关于微型热管的定义主要用两种，一种是Peterson[2]将之定义为热管的水力半径大于或者等于热管中液体弯月面的曲率半径，而Chen等[3]则将其定义为当Bond数小于或者等于2的热管。查阅以前的研究成果，发现关于槽道式吸液芯热管、网状式吸液芯热管、烧结式吸液芯热管等几种微热管阵列曾展开过大量的实验研究。Khrustalev等[4-5]于1994年提出了一个详细的数学模型用于研究微热管(micro heat pipe，MHP)的传热传质过程，同时研究了适用于高热流密度的槽道芯热管，发现当热管运行温度达到120 ℃时，热管在径向可承受的热流密度为200 W/cm2，轴向上可承受热流密度为150 W/cm2。Peterson等[6]于1996年提出了预测三角形槽中最小弯月面半径和最大传热的数学模型。结果表明，微热管的传热能力与液动脉顶角、液流接触角、热管长度、气流速度和特性以及倾斜角密切相关。同时，获得最大传热能力微型热管的结构参数，三角形凹槽的水力直径等于0.484 mm，凹槽达到6.79 W/cm2。2000年，Wang等[7-8]研究了以铜为热管材质的烧结铜粉微热管阵列特性，得到平均传热效率为12.4 W/(m2·K)。2004年，Launay等[9]采用扩散焊接工艺制作出铜/水线板MHP阵列获得了高质量的边角，该器件的热性能与空MHP阵列相比，其有效热导率提高了1.3倍。但目前该器件对应的毛细管极限的最大热通量较低，为0.61 W/cm2。2012年，Lefèvre等[10]在槽道表面添加一层或多层铜网结构，结果表明，采用单层结构的铜网芯热管毛细极限低于双层结构的热管毛细极限。2014年，王宏燕等[11]基于理论研究计算新型平板微热管阵列(micro heat pipe array，MHPA)的工作机理，通过建立分区微元模型分析热管冷凝段内部工质的工况，得出了微槽内冷凝液膜的厚度、温度场分布及质量流量等物理参数,同时拟合得到了冷凝段内部饱和温度的表达式。

微热管由于其优良的传热性能和等温性能被广泛应用于电子器件散热、太阳能空气集热器、高效换热器等领域。根据应用场景的不同，通常需要衡量热管的传热性能、启动性能以及等温性能。临界传热量是衡量微热管传热性能的评价指标之一[12]。而微热管极限传热量的是由传热极限的最小值决定的[13]。影响传热极限的因素有很多，直接相关的是它的自身结构，包括热管尺寸、形状、蒸发段与冷凝段长度、管内工质、工作温度和热管的倾角等，其次如毛细力、沸腾冷凝现象、压降等。同时随着加热功率的增加，热管的热阻是下降的，热管主要的热阻由蒸发段与冷凝段两部分热阻组成[14]。基于此，现通过对近些年关于微热管技术的性能研究成果加以回顾和总结，并以此为基础展望未来该领域发展可能关注的热点研究问题。

1 平板微热管的结构及工作原理

微热管阵列(MHPA)技术是一种结合微尺度传热传质、相变传热传质、微尺度内高压条件下复杂流动等基础理论及材料与加工、封装工艺等工艺技术的综合应用技术。平板微热管阵列作为一种具有超导热性能的导热元件，与常规的热管相比优势明显，具有低热阻高导热率、面接触换热面积大、可靠性强、承压能力高等特性。平板微热管的系统组成包括铝制外壳和内部充装的少量工质溶液组成，阵列内部布置有多根独立运行的微热管，每根微细热管内还有强化传热的微翅构造，各微通道并联组成微热管阵列。这样的结构增大了热管直接受热及吸热面积，由于微细热管的水力直径只有1.0 mm左右，管壁的承压能力极高，所以不易发生泄漏。此外，因每个微细热管为独立工作，所以当其中一部分热管损坏后，其他微细热管仍能维持换热器的正常运行，可靠性较高[15]。

平板微热管主要由蒸发段、绝热段和冷凝段三部分(图1)循环结构组合，蒸发段表面吸收外界热量并将热量传递到热管壁面，液相工质从壁面吸收热量后由液态蒸发变为气态，在管内两端压差的作用下气体由蒸发段流向冷凝段。蒸汽在冷凝段放热后冷却并依靠毛细力或重力实现回流，如此往复循环，实现高效的相变换热过程。

Qin为蒸发段管壁的吸热量;Qout为冷凝段管壁的放热量图1 微热管工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of micro channel

2 平板微热管传热性能分析

平板微热管相对于其他热管的明显不同是它的尺寸较小，管内不添加吸液芯结构，易于加工推广使用，其中毛细极限和沸腾极限是热管的两个重要极限，平板微热管的传热极限主要在于毛细极限。毛细作用力和工作流体的数量对它的热性能具有显著影响，而毛细作用力和工作流体的数量又是由平板微热管结构决定[16]。为提高微热管的传热特性，一方面从管内气液流动“推动力”着手，另一方面忽略管壁的导热效应，则热管传热以对流换热为主。所以弄清管内工质的流动状态和传热特性对强化换热研究的深入至关重要。主要从热管的通道结构形状尺寸、充装工质及其充液率和工作状态等几方面，对平板微热管传热性能的影响因素研究进行总结，并针对其性能预测研究发表展望。图2为研究思路和确定的影响微热管换热的指标。

图2 平板微热管主要影响因素指标图与研究思路Fig.2 The index diagram and research ideas of the main influencing factors of the flat micro heat pipe

2.1 微槽结构的影响与研究

毛细压力是微型热管工质液体回流的驱动力，可作为平板微热管传热性能的评定指标，管内部的毛细压力越大，微热管传热性能越好[17]。回流所需的毛细力是由管内壁的尖锐边角区或者蒸汽通道周边的液缝的弯月面产生的轴向槽道压力差提供的。回顾以往的微槽结构设计，一般是基于外形尺寸、受重力影响的长度和总的热量转移等因素[18]。常见的蒸汽通道截面结构包括三角形、矩形、正方形、梯形、“Ω”形等[19](图3)。由于微热管传热循环过程主要受管内通道的毛细驱动压力，而其大小与有效毛细半径和固液接触角有关；微热管表面润湿性对传热性能也有影响，表面润湿性与沟槽宽度和深度、表面固液接触角、粗糙度相关联。主要围绕这些因素对相关实验展开分析。其中，表1梳理了近期关于微热管阵列槽道截面实验和理论研究成果。

a为截面高度;b为截面宽度;δ为管壁材料厚度图3 微热管蒸汽通道横截面示意图[19]Fig.3 Schematic diagram of the cross section of the micro heat pipe[19]

表1 微热管阵列槽道截面实验研究研究进展Table 1 Progress in the experimental study of the channel cross-section of micro thermal tube array

另外，Singh[31]提出了一种通过轴向改变凹槽顶角来提高多边形微热管毛细特性和传热能力的新方法。Ng等[32]的研究结论表明掺入碳纳米管涂层(carbon nanotube，CNTs)能引起微热管阵列热性能增强。

微热管内部的毛细力、两端压差梯度、管壁材料表面粗糙度、固液接触角与润湿性等均与管内工质的流动与稳定传热特性存在关联[33]。毛细力、两端压差梯度作为管内气液流动的“推动力”，直接影响热管换热，管长、管壁、轴向热量3种因素共同作用于临界传热量，管内有效换热面积的增加使微热管传热性能有所提升。管壁材料的粗糙度决定流动边界层厚度，雷诺数大小的改变是判断管内流动状态的依据，增强湍流，强化流体间的传热，扰流的出现对压强损失与增强换热不成比例，而且随着雷诺数的增大，阻力增加大于换热效果的提高[34]。固液接触角与润湿性可以调节表面张力的大小，间接影响管内流动(图4)[35]，上述各参数的确定对强化换热领域的研究至关重要。根据过增元等[36]对强化对流换热理论的研究，使热边界层内流动工质的速度矢量与温度梯度之间的夹角协同可以实现强化换热，而协同程度可以根据协同数判别[37-39]，因此有必要在未来弄清上述参数之间的联系。

F1、F2分别为通道两侧作用于中间液流的不同大小的力；灰色为管壁材料，中间为内部液体受力在管内流动图4 通过控制微通道表面性质和结构驱动液体流动[35]Fig.4 Drive liquid flow by controlling the surface properties and structures of the micro-channel[35]

2.2 充装工质及其充液率的影响与研究

经研究，不难得出平板微热管最大当量导热系数是远大于所用外壳材料的导热系数，这说明了内部工质的相变传热在平板微热管换热中起主导作用[40]。工质的汽化潜热值越大，在热管蒸发段内蒸发速度越快，启动性能越好，启动性能是衡量微热管性能的评价参数之一，所以工质的汽化潜热值会影响微热管的性能。这也为微热管内选择作为工质的优化研究提供了方向。不同的工作流体所具的物理性质不一样，选择一种合适的工质足以影响平板微热管的传热性能，选择充装工质时会依据工作环境、工作温度、以及工质自身属性等[41]。

赵耀华等[42]研究了4种工质(甲醇、乙醇、丙酮、R141b)对带有微结构的平板微热管热通量的影响。结果表明，该平板微热管阵列的散热效果良好, 其中使用甲醇为工质的散热器其最大热通量及总热量输运能力分别可达到102 W/cm2及102 W以上。肖章平等[43]在不同工质(蒸馏水、无水乙醇、重铬酸钾溶液)及充液率条件下对复合中空热管传热性能进行测试。结果表明：充装工质为蒸馏水的复合中空热管最佳充液率为33%；当充液率为33%时，使用无水乙醇工质的复合中空热管的传热性能最优。张芳莉[21]和况旭[44]均对水、丙酮和酒精3种工质的微热管进行测试，实验结果表明同等实验条件下丙酮毛细现象最为明显。加热功率较低时，装有丙酮的平板微热管两端温差较小，随着加热功率的增大，乙醇平板微热管两端的温差变小，低于丙酮的温差。综合得出酒精的品质因数比丙酮要高，所以高加热功率条件下，乙醇平板微热管两端的温差会比丙酮低。Wang等[45]通过对新型平板微热管性能进行实验研究。表明充液率为20%的平板微热管性能最好。相较于丙酮和R141b，使用甲醇作为工作流体的平板微热管性能最佳，其最小热阻为0.18 K/W，最大热导率为8 539 W/(m2·K)；使用R141b的平板微热管表现最差。Wu等[46]通过实验和数值模拟，发现使用CO2填充的热管热阻比使用丙酮填充低14.8%，最佳充液率为40%，此时最佳传热性能对应最小热阻为0.123 K/W。郭浩等[47]使用FC-72、乙醇和水作为工质，分析工质对重力热管壁温和蒸发段、冷凝段传热特性的综合影响。结果表明：以FC-72或乙醇为工质时，热管壁温稳定性较好；当工质为水时，发生温度波动的功率范围较大，其整体传热性能仍表现良好，且冷凝热阻较小。同时，蒸发段的轴向温度均匀性由于工质类型和加热功率的影响，在加热功率较小时，以乙醇和FC-72为工质的热管蒸发段轴向均温性较差，是因为它们较水易汽化吸热，且乙醇的潜热较FC-72更大，此时乙醇-重力热管的蒸发传热系数较大。冷凝段内，冷凝液膜的热阻为主要冷凝热阻，此时水具有较大的导热系数，所以水-重力热管的冷凝段传热效果较好。另外，张东伟等[48]从热管结构和工质两方面基于脉动热管分析近期的强化换热技术的理论研究成果，发现在热管内，具有较高黏度、比热容和较低接触角、表面张力的工质有利于气液塞的形成，促进工质循环振荡的形成，强化换热。

通过以上的研究，可知甲醇、丙酮、乙醇均为导热性能优良的工作流体，一般优选甲醇，其次可以按照实际工作状态的环境选择丙酮或乙醇，这与工质的品质因数[49]有密不可分的联系。工质的物性参数会影响管壁均温性以及管内流态。槽道内工质的充液率作为影响微热管传热性能的一个重要因素，平板微热管传热性能随着充液率的变化而变化，一般最佳充液率在20%～30%，不同的工作流体有不同的最佳充液率。工质的最佳充液比也受热管传热极限的制约。当充液率过低时，会导致液体工质回流不足，蒸发段的热量得不到及时传输，使蒸发段温度上升[50]；当充液率过高时，会使液体在冷凝段堵塞，使该段温度明显降低[51]。另外充液率过高使管内蒸汽空间减小，导致蒸汽的流动阻力增加，从而导致传热性能恶化。以上两种情况都会导致热管的热阻增加，降低微热管的等效导热系数，如图5～图7所示。蒸汽腔的存在能够减小工质气液循环时的流动阻力[52]。为方便工程应用，首先需要明确的是工质和管壳材料在工作环境的相容性[53]，其次是针对不同充液率的工作流体在微热管内的循环状态和管内的剩余容积对微型热管传热性能的作用。

图5 6 W时微热管的时间-温度曲线[53]Fig.5 Time-temperature curves of the micro heat pipe under the input power of 6 W[53]

图6 蒸汽腔热管在不同灌注率下功率-温度曲线[53] Fig.6 Power-temperature comparison of the steam chamber micro heat pipe with different filling ratios[53]

图7 有无蒸汽腔热管功率-温度[53]Fig.7 Power temperature of heat pipe with or without steam chamber[53]

2.3 工作状态的影响与研究

使用相同的微热管进行实验，可以发现平板微热管的热性能还与热管的工作状态有关，如热源功率、倾角、工作温度等条件。Rahman等[54]对充装4种工作流体(丙酮、乙醇、甲醇和丙醇-2)的平行微型热管系统分别进行传热特性实验。结果表明，在不同的热源温度和不同的工质条件下，热管的热特性有显著的变化；与其他工作流体相比，使用甲醇的系统实现了最低的蒸发表面温度，甲醇是用于磁流体动力系统的最佳工作流体(甲醇在较高的热通量下热导率最高)。Wang等[55]通过实验发现当加热功率足够大时，会形成一段塞流单元，局部出现干燥现象。随着加热功率的进一步增加，蒸发部分呈现完全干燥。所以，微型平板微热管的传热极限受干燥极限影响。通过对不同的平板微热管进行传热特性分析，发现α= 90°时，在毛细管力、重力和工作流体量共同作用下，A-4编号的平板热管磁流体力学性能最佳。该平板微热管的最小热阻和最大热导率分别为0.89 K/W和1 739.98 W/(m2·K)。Wu等[46]发现随着热功率的增加，热阻随着量程变化幅度的减小而逐渐减小。Mansouri等[56]根据建立的轴向微通道FMHP数学模型分析蒸发和冷凝过程中的液-汽流动过程，预测沿FMHP的最大传热能力、最佳流体质量以及流动和热参数。发现随着加热功率的增大，蒸发段和冷凝段的界面曲率半径分别呈减小和增大的趋势(图8)，同时出现实际中液体和蒸汽压力损失会增加，管内毛细管压力变得不足以克服压力损失。此时导致蒸发段缺乏液体，冷凝段则被过量的液体堵塞，最终导致热管失效。

图8 弯月面曲率半径的变化[56]Fig.8 The change of the radius of curvature of the meniscus [56]

范春利等[57]研究了重力作用下微槽平板热管的传热性能，发现重力对轴向液膜的分布作用较为突出，从而得出倾角对平板热管传热能力的影响，同时也可知深槽平板热管的传热性能相对较好。董良好等[58]以充装丙酮、充液率为15%的平板微热管为研究对象，研究了平板微热管倾角对其传热性能的影响，通过对比0°、45°和 90°共3个典型倾角，发现45°倾角时平板微热管启动特性和传热性能最佳，即此时热管升温最快、所能达到的稳态温度最高且传热热阻最小，0°倾角时平板微热管的各方面性能最差。一方面倾角状态促进了重力对冷凝液体回流的作用力，另外当倾角较大时，气液循环阻力同比上升，不利于平板热管的稳定传热。Li等[59]通过实验研究了影响微通道热管(microchannel heat pipe，MCHP)热性能的因素，发现MCHP热性能和倾斜角之间的关系是非线性的，同时热管的温度分布及其有效导热系数与蒸发段温度对应的倾角联系密切。研究结果表明：低倾角时，温差随着蒸发段温度的增大而增大；倾角较大时，温差的变化会随着蒸发段温度的升高而变得复杂；通常情况下，高的蒸发段温度对应大的倾斜角，传热性能会表现良好；不同的蒸发段温度匹配不同的最佳倾角(图9)。

图9 在蒸发器温度分别为30、50、60 ℃时，具有不同倾斜角度的MCHP蒸发器与冷凝器之间的温差[59]Fig.9 The temperature difference between the MCHP evaporator and the condenser with different inclination angles when the evaporator temperature is 30、50 and 60 ℃[59]

当热源温度较低时，微热管蒸发段的热通量未达到临界状态，所以导热效果会逐渐增强，随着加热功率的增大，在蒸发段，由于蒸发作用使界面曲率半径呈减小趋势，在冷凝段，由于液体凝结界面曲率半径呈增大趋势[60]。当达到临界状态点，微热管内部毛细管压力不足以提供更大的循环动力，热管达到最大传热能力，继续加热会导致热管失效。其中随着热功率的增加，热阻的沿程变化间接显示出了热管全程循环的状态。平板微热管的工作倾角与重力作用对传热性能的贡献值并非呈线性关系，通过分析传热热阻和温度分布判断平板微热管的传热效果，发现热阻越小，相邻段温差越小，传热越好[61-62]。通过改变热源温度，研究热管内流动压降变化，由此联系雷诺数判断区间的流动状态，同时两端的流动压降变化反映了两端液体的补给量[63]，确定平板微热管内压差与热流量、质量流量之间的关系是强化换热、相变传质研究的重要环节，目前国内对于该领域的研究几乎空白。

3 平板微热管的模型分析与预测研究

Xin等[64]研究了微槽尺寸和轴向带槽壁对微槽平板热管传热系数的影响，提出了一种新型的平板热管渐变槽芯设计，当热流量Q=5.0 W时，有效导热系数可提高12.4%。同时提出了带凹槽的斜坡式气液壁面设计，简单且符合实际应用。Jung等[65]应用液体薄膜理论提出了一种预测微热管传热传质性能的瞬态分析模型，得到了微热管内蒸汽和液体的质量流、压力和温度的轴向分布。Zhang[66]建立了轴向燕尾微槽热管的热、水动力模型，该模型考虑了蒸发器和冷凝器的轴向导热、轴向弯月半径变化和液膜传热。结果表明：液膜厚度沿微槽轴向增大，热管轴向传热量较大；蒸发段汽液界面的蒸发换热系数大于冷凝段汽液界面的冷凝换热系数。

王裴等[67]提出了一种新型沟槽道微热管结构，槽道周边采用锯齿状强化了底层扰流，扩大孔径面积从而强化换热；通过对该种热管进行热性能分析，得出该微热管在任何工况下均能保持良好的均温性，且得出最大温差为 0.8 ℃。李红传等[68]从亲水性植物叶片的微观凸起结构启发灵感烧结制成锥形的毛细芯，测试该平板热管发现其蒸发热阻随加热功率的增大均降低，蒸发传热系数随加热功率的增大均增大。将亲水性蒸发段与疏水性冷凝段相匹配时平板热管热阻最小，当倾角θ=0°，Q=200 W时，其最小蒸发热阻为0.05 K/W，最小冷凝热阻为0.02 K/W。Wang等[69]使用500 PPI(每英寸孔数)筛网作为毛细吸液芯设计了一种新的平板热管(flat-pipe heat pipe，FPHP)，并通过实验研究其热性能。结果发现，使用蒸馏水作为FPHP工质比使用丙酮或乙醇具有更好的热性能，当Q=40 W时，用蒸馏水操作的FPHP的热阻为0.231 ℃；最佳充液率为25%。原因是蒸馏水潜热和表面张力的组合值相对较高(当孔径相同时，较高的表面张力可以产生较高的毛细管力[70])。张荩文等[71]设计了一种无储液室，且带有液线毛细芯的新型环路热管，对比传统环路热管，新型液线毛细芯环路热管在变工况和重力辅助条件下有良好的运行性能，当环境温度 25 ℃，热沉温度 20 ℃时，可以在 10～130 W 成功启动，运行温度最高为 91.3 ℃，热阻 0.33 K/W。Hamidnia等[72]使用硅磁流体采用微加工方法制备了3种不同尺寸、水力直径为120 μm、截面不同的微热管，并在不同充液率和加热功率条件下进行测试。通过BBD(Box-Behnken design)优化理论模型和实验方法，证实了与矩形动脉相关联的梯形MHP具有较好的传热性能，矩形动脉占整个蒸汽室容积的40%。Nagayama等[73]开发了一种用于平板微热管的凹槽会聚微通道阵列，以增强毛细作用力。对于70 mm长的平板微热管，当Q=20 W时，理论上确定最佳槽宽为亲水蒸发段100 μm，疏水冷凝段300 μm；同时证明了具有会聚通道的MHP比具有直微通道的具有更好的热性能和毛细性能。Paiva等[74]对线板式微型热管(沟槽型热管)进行了理论热研究，结构模型见图10；其中使用了两个模型：使用流体动力学模型研究蒸汽通道水力直径和蒸发段长度的影响，考虑了槽中液体层的几何形状；使用热力学模型预测蒸发段、冷凝段和液膜截面三部分沿热管的温度分布；最后将实验数据和模型对比结果一致。Peterson等[75]将制造这种高性能平行微热管的方法称为“引线键合”微热管阵列。

图10 线板式微型热管的研究[74]Fig.10 Wire plate mini heat pipes studied[74]

在微热管传热性能研究试验中，蒸发与冷凝两个过程是相互依存、相互制约、成对出现的，毛细力作为动力源不断促进管内工质蒸发、冷凝的循环工作。从平板微热管的模型分析和预测研究中，可以看出平板微热管性能的突破是源于对微热管槽道结构和充装工质的状态的不断创新，并与适宜的工作环境相匹配。结果的准确性，需要从理论分析和模型研究中进行系统验证。为了更加细致地研究微通道领域的传热，对微米和纳米尺寸的材料展开表面特征设计，并有效分析蒸发和冷凝极限的作用机理[76-78]，或许是该领域寻求突破的重要议题，液体发生相变沸腾传热的作用机理如图11所示。

分图(a)中，1相态为液体，θ1为接触角；或2相态为液体，则θ2为接触角，以上是由γ1,2、γs,1、γs,2之间的力平衡确定的。分图(b)中，当液滴或气泡开始移动时，会发生润湿滞后，具有不同的前进接触角(θa)和后退接触角(θr)。在粗糙的表面上(通常针对液滴)，如果液体完全接触粗糙度特征，则发生Wenzel润湿[图(c)]，而如果仅部分接触这些特征，则发生Cassie润湿[图(d)]。光滑表面上的生长可以通过流体在液-蒸气界面[图(e)]蒸发和冷凝或聚合事件[图(f)]来实现。在粗糙的表面上，如果Wenzel润湿受到能量青睐，生长(通常为液滴)可能发生在粗糙度特征内[图(g)]。如果Cassie润湿受青睐，则根据初始成核情况，会出现挂起(悬浮)或部分润湿模式[图(h)]。成核相的离开可以通过形成薄膜(薄膜冷凝或薄膜沸腾)[图(i)]、液滴或气泡滑动[图(j)]、聚合[图(k)]，其中聚结的液滴表面能(surface energy，SE)SE3小于原始两个液滴的总和(SE1+SE2)或当密度差异(ρ1≠ρ2)时直接通过重力体积力发生[图(l)]图11 通用相态1和2的液体或蒸汽常见的润湿、生长和离开机制[76]Fig.11 Common wetting, growth and departure mechanisms for generic phases 1 and 2, which could be liquid or vapour[76]

随着微电子冷却、低品位能源的节约利用等社会话题的日益关注，高临界热流密度[79]的材料在加热功率居高不下的条件下，出现的表面沸腾传热现象是值得关注的。由于材料表面局部过热引起液流过热沸腾产生的气泡，管内密闭使得不凝性气体无法排出或者小蒸汽气泡导致气塞，对高传热工况造成不利影响。

基于液体薄膜理论研究不相容的气液两相状态的传热传质[80]，采用理论分析和模型计算相结合的研究方式，更有利于提出新型的微热管结构。依据cotter理论、Taylor流动、Young-Laplace方程以及三大守恒定律等，分析平板微热管的传热特性与管内流动状态[81-82]，以增强人们对强化换热和材料热物理的理解。因此，对关键物理现象和微型通道换热理论的新认识将显著提升设计的新型平板微热管性能。

4 结论与展望

多尺度强化换热领域作为当今新兴的研究方向，凸显了巨大的发展前景。综述了平板微热管传热性能影响因素的研究实验进展。平板微热管的性能实验研究主要聚焦于它的传热机理和流动状态，通过分析结构组成和工作机理，基于微槽结构、充装工质及其充液率、工作状态3项指标研究，得出以下结论。

(1)毛细压力可作为传热性能的一项重要评定指标。平板微热管内毛细力越大，传热性能越好；相反，当毛细力提供动力不足克服流动阻力时，热管将不能正常工作。分析槽道形状和微槽结构与毛细力之间的关系，通过改变管壳材料表面特性(润湿性好、亲水性强、固液接触角小，其毛细压力大)，增大毛细压力和两端压力梯度，降低了相变热阻，强化换热。

(2)基于性能实验研究，发现工质性质可由其品质因数衡量，具有高的表面张力和汽化潜热值的工质，毛细极限越大，品质因数大，换热性能强；保证槽道内最佳的充液比，降低气液流动阻力，有助于提高微热管的有效导热系数，还可以设置一定高度的蒸汽腔。

(3)随着加热功率的增大，微热管的蒸发段和冷凝段的界面曲率半径分别呈减小和增大的趋势，当足够大时会出现局部干燥现象，造成热管失效；重力对轴向液膜的分布作用明显，平板微热管工作状态随着工作倾角与重力作用呈非线性变化。热管的温度分布及其有效导热系数与蒸发段冷凝段的流动压降和压变化相关。

(4)蒸发与冷凝两个过程相互依存，相互制约，同时存在。平板微热管的流动状态与蒸发段和冷凝段的比例长度、工质流量以及气液分布相关联，但由于实际中存在蒸发与冷凝段的不确定性，因此通过流体动力学与热力学的理论和模型完成精确计算，分析平板微热管内部的传热特性和流动状态，将对多尺度微通道和多相工质的相变换热和界面传质方向的研究提供借鉴和参考。

(5)随着“碳达峰，碳中和”的深入人心，结合强化换热理论，通过模型设计与预测使平板微热管的速度与温度梯度矢量场协同，由此提升高传热性能热管的工程应用。对微通道传热机理和一些物理现象的深刻认识，如表面沸腾传热、表面张力控制液流等，为理想换热表面与通道结构设计以及新工质制备夯实理论依据，这也为微通道方向的强化传热研究奠定了研究基础。