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为什么需要热管理？ 众所周知，半导体芯片的热通量和功率在持续增加，正如下图所示。电子设备中的高温会降低其性能和可靠性，有效的热管理能够从热源中移除热量，对于防止电子设备发生热故障至关重要。
图1：芯片功率和热通量在持续增加
当务之急，需要开发创新的热传输设备，且要求高热性能、小型化、低成本优势，以满足电子设备更高算力和轻型化结合所要求的热管理能力。
PHP是什么？ 脉动热管 (PHP)是一种很有前途的两相被动传热装置。它由一根在蒸发器（加热端）和冷凝器（冷却端）之间蜿蜒曲折的细管组成，内部抽成真空，填充有作为液塞和蒸汽塞的混合物存在的工作流体。通过蒸汽和液体的自激振荡，热量从蒸发器传递到冷凝器。
图2：脉动热管（PHP）结构示意图
PHP 是在1990年代发明的，与传统的热管和回路热管等其他两相被动传热装置相比，PHP 具有许多优点，包括结构简单、重量轻、柔韧性佳，以及由于 PHP 是由曲折的细管组成的，因此没有内部吸液芯结构。制造 PHP，可以使用无需特殊处理的低成本、市售的成品管子。因此，PHP的制造成本低于其他两相传热装置。
图3：脉动热管（PHP）实物 PHP的研究现状 几十年来，研究人员对 PHP 进行了各种实验来研究改变 PHP 配置（形状、匝数、管道直径和长度）和工作流体对热性能的影响。结果表明，重力和圈数对性能有很大影响。此外，在工质充填率为40%~60%时，传热性能最佳。潜热小、显热大的工质具有更高的传热能力。
研究人员已经对 PHP 传热现象进行了理论建模，并提出了基于压力振荡波动方程或薄膜蒸发和冷凝的模型。然而，流体动力和热传输机制的统一建模，特别是在 PHP 的运行极限下，远不能令人满意。
PHP 的运行极限是指 PHP 内部的工作流体不发生自激振荡并且从蒸发器到冷凝器的热传递停止的状态。如果达到运行极限后继续向蒸发器输入热量，蒸发器温度立即升高，PHP 的内部压力也随之升高。在最坏的情况下，这会破坏 PHP。此外，由 PHP 冷却的设备由于传热不足而发热，可能对设备造成严重损坏。因此，必须设计 PHP 使其在运行期间不会达到其运行极限，尤其是在一旦发射就很难或不可能修复的航天器应用中。
PHP的应用潜力 多项研究表明，PHP 对笔记本电脑和 LED（发光二极管）等电子设备的冷却非常有效，但尚未投入实际应用。PHP 的商业化应用很少，总体上仍处于实验室规模的研究开发中。
通过增加 PHP 的匝数，可以增加其冷凝器和蒸发器的面积，从而提高传热能力。在热交换器中使用 PHP 可以开发更轻、更紧凑的设备，因此 PHP 可能适用于电子和微电子、生物医学设备和空间应用的散热中。
下面这10个领域的应用案例，将揭示 PHP 是一种很有前途的，并具有高热流密度、结构灵活、低成本的传热装置。
1.电子产品 PHP 最具有应用潜力的领域是电子产品，PHP 不仅可以在底部受热模式下运行（有重力辅助），也可以在水平模式（没有重力辅助）和对抗重力模式下运行。PHP 在底部受热模式下性能最佳，因为重力有助于工作液的回流。下图，展示了装配有 3D 形状 PHP 的散热模组，采用底部受热模式。
图4：装配了3D PHP的散热模组 (Maydanik et al., 2009)
2.电池
电池，特别是锂离子电池在室温附近工作允许温度范围较小，在充电和放电循环期间会产生热量，如果电池的热量没有适当散发，可能会导致高温失控，并最终自燃。轻薄且细长灵活的 PHP 适用于电池的热管理，研究表明，当PHP应用于电池时，温度梯度得到了缓解。
图5：PHP在锂离子电池热管理中的应用示例(Chen et.al., J. Energ. Storag, 32, 2020.)
3.笔记本电脑 利用 PHP 的灵活性，研究人员开发了内置 PHP 的移动PC热测试模型，PHP 蒸发器放置在发热部件所在的键盘下方，冷凝器放置在显示器后方。PHP 管子在笔记本铰链处盘绕，如此笔记本电脑可以完成反复的开合动作。
图6：内置了 PHP 的移动PC热测试模型（Miyazaki, 2005）
4.柔性热带 柔性传热装置富有潜力且将广泛应用，通过采用聚合物材料或毛细管，可以得到结合了高导热性和柔韧性的 PHP。基于聚碳酸酯的扁平柔性 PHP （包裹在柔性覆铜层压板中）、蒸发器和冷凝器采用微槽铜管，绝热端采用氟橡胶管的柔性 PHP，都已经被开发出来。
图7：基于聚碳酸酯的扁平柔性 PHP （Jung et. al.,Intl.J.Heat Mass Transf.,149,2020） 5.旋转装置 管径为毫米级或更细的 PHP 可以应用于不断旋转的设备中，例如涡轮叶片或研磨轮盘。下面，展示了内置在涡轮叶片中的 PHP 概念图，研究表明，该实验装置中的离心力可以帮忙 PHP 流体流动，也就是说PHP的性能随着旋转速度的增加而提高。
图8：PHP用于涡轮叶片（Ebrahim Dehshali et. al., 2018）
6.余热回收装置（热交换器） PHP 在环保领域也有贡献，可以应用于余热回收。废热（余热）回收是一个能源再利用系统，利用废热来加热水或空气，以便再次利用。应用PHP，可以将工厂中的废热用于加热游泳池的水。
图9：PHP废热回收系统（Pixabay） 7.太阳能热水器
太阳能热水器是利用太阳能加热水以供日常使用的系统，系统中有一个面积很大的平板，称为太阳能集热器，其接收太阳热量并使水加热。由于 PHP 可以做得很大，因此传热面积大，适用于太阳能集热器。
PHP 集热器的蒸发器位于太阳能热水器的底部，吸收太阳热量并传递到连接到蓄水箱的冷凝器，冷凝端放出热量从而使蓄水箱中的水得到加热。研究表明，一个蒸发器长约2.0m，冷凝器长约0.5m，整体宽度约1.0m的 PHP 集热器，累计热收集效率约为62%。
图10：PHP 用于太阳能热水器（Rittidech and Wannapakne, 2007）
8.低温设备
PHP 也可以用于低温设备。例如，用于超导磁体系统的低温PHP，工作温度从几K至几十K。适用于低温 PHP 的工作介质为氦（He）、氢（Hydrogen）、氖（Neon）、氮（Nitrogen）等。
图11：低温PHP可以应用于超导磁体系统（pixabay）
图12：适用于低温 PHP 的工作液（Low Temperature Materials and Mechanisms, Chap.6, 2016）
9.高温设备
PHP 不仅可以用于低温设备，也可以用于高温设备。高温 PHP 的工作温度超过500℃，适用钠钾合金液态金属作为工作液体。试验表明，在液态钠钾合金和不锈钢管组成的PHP系统中，蒸发器在800℃左右启动并运行。
图13：液态钠钾合金和不锈钢管组成的PHP系统（ Ji et.al., Intl. J. Heat Mass Transf ., 149, 2020.）
图14：数据显示，PHP 蒸发器在800℃左右启动并运行( Ji et.al., Intl. J. Heat Mass Transf ., 149, 2020.)
10.太空卫星 PHP 的潜在应用可以扩展到太空领域，轻量级的PHP适用于航天器。日本航天局曾成功地在轨道上运行 PHP。PHP 安装了止回阀，可以在没有重力辅助的情况下引导从冷凝器到蒸发器的流动，该PHP系统安装在一颗小型卫星上并于 2012 年发射，在轨道上运行了近四年。
图15：PHP 应用于小型卫星
PHP的未来 以上，展示了 PHP 在10个不同领域的应用潜力。PHP 的高导热性能、灵活性、低成本优势，使之能够适应不同类型电子设备或装置的热传需求。然而，由于对控制内部两相振荡流的热流体动力学知识不完整，至今缺乏有助于 PHP 设计和优化的建模工具，研究人员还需要付出更多努力来保证 PHP 工作在运行极限之下。
信息来源：POTPLOS,Naoko Iwata,Ph.D
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