热管技术的原理应用与发展 - 文章

热管技术的原理应用与发展

作者：荣信科研技术小组

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摘要：热管技术是20世纪60年代出现的一种传热新技术，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，在散热器制造行业占有重要的地位，本文从热管的基本原理、特性、类别、相容性、热管的制造及加工工艺和热管的应用与发展等几个方面对热管技术作一简要的阐述。
关键词：热管技术、管壳、管芯、工质

0.引言

热管传热利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，开辟了散热行业的新天地。

1.热管的基本工作原理

1.1工作原理

物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

1.2组成与工作过程

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1．3×(10-1－－－10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：

(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－－汽）分界面；
(2)液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；
(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；
(4)蒸汽在冷凝段内的汽－－液分界面上凝结；
(5)热量从（汽－－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源；
(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

1.3工作条件

图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度Tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。

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图1热管管内汽-液交界面质量流、压力和温度沿管长的变化示意图

热管正常工作的必要条件是△ Pc ≥ △Pl +△ P v +△ Pg

其中△ Pc：毛细压头—是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降△Pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降△Pl，和重力场对液体流动的压力降△Pg(△Pg可以是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。

2.热管的基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。

2.1很高的导热性

热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。

2.2优良的等温性

热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

2.3热流密度可变性

热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

2.4热流方向可逆性

一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应容器及其他装置。

2.5热二极管与热开关性能

热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。

2.6恒温特性(可控热管)

普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管——可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。

2.7环境的适应性

热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。

3.热管的分类

由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。

(1)按照热管管内工作温度区分热管可分为：低温热管(—273－－－0℃)、常温热管(0—250℃)、中温热管[250－－－450℃)、高温热管(450一1000℃)等。

(2)按照工作液体回流动力区分热管可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。

(3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为：铜—水热管、碳钢—水热管、铜钢复合—水热管、铝—丙酮热管、碳钢—萘热管、不锈钢—钠热管等等。

(4)按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。

(5)按热管的功用划分可分为：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。

4.热管的相容性及寿命

热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢－水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。

影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体，工作液体热物性恶化，管壳材料的腐蚀、溶解。

(1)产生不凝性气体：

由于工作液体与热管材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。

(2)工作液体物性恶化：

有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与热管壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。

(3)管壳材料的腐蚀、溶解：

工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。

5. 热管制造

热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。

(1)管壳

热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。

(2)端盖

热管的端盖具有多种结构形式，它与热管连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑平整、质量容易保证。

旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。

(3)吸液芯结构

吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型的结构作出简赂的介绍。

一个性能优良的管芯应具有：

(1)足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径
(2)较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率
(3)良好的传热特性，即有小的径向热阻．
(4)良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。

管芯的构造型式大致可分为以下几类：

(1)紧贴管壁的单层及多层网芯

此类管芯多层网的网层之间应尽量紧贴，网与管壁之间亦应贴合良好，网层数有l至4层或更多，各层网的目数可相同或不同．若网层多，则液体流通截面大，阻力小，但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加。如在近壁因数层用粗孔网，表面一层用细孔网，这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小，但并不能改善径向热阻大的缺点。网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较高的毛细提升高度，但因渗透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力受到限制。此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况，故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。

(2)烧结粉末管芯

由一定目数的金属粉末烧结在管内壁面而形成与管壁一体的烧结粉末管芯，也有用金属丝网烧结在管内壁面上的管芯。此种管芯有较高的毛细抽吸力，并较大地改善了径向热阻，克服了网芯工艺重复性差的缺点，但因其渗透率较差，故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小。

(3)轴向槽道式管芯

在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体回流通道，槽的截面形状可为矩形，梯形，圆形及变截面槽道，槽道式管芯虽然毛细压头较小，但液体流动阻力甚小，因此可达到较高的轴向传热能力，径向热阻较小，工艺重复性良好，可获得精确的几何参数，因而可较正确地计算毛细限，此种管子弯曲后性能基本不变，但由于其抗重力工作能力极差，不适于倾斜(热端在上)工作，对于空间的零重力条件则是非常适用的，因此广泛用于空间飞行器。

(4)组合管芯

一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率。为了有高的毛细抽吸力，就要选用更细的网或金属粉末，但它的渗透率较差，组合多层网虽然在这方面有所提高，可是其径向热阴大．组合管芯能兼顾毛细力和渗透率，从而能获得高的轴向传热能力，而且大多数管芯的径向热阻甚小．它基本上把管芯分成两部分．一部分起毛细抽吸作用，另一部分起液体回流通道作用。

6.制造工艺

如前所述，构成热管的三个主要组成部分是管壳、管芯和工质。在设计过程中，对管壳和管芯的材料进行合理的选择后就可以开始制作。通常热管的制造过程包括下面的工艺操作，并按一定的程序进行:

1）热管的机械加工及清洗；2）管芯制作及清洗；3）冷端封口；4）热端旋封；5）检漏；6）注入工质；7）封头；8）检漏；9）缩径；10性能测试。

实际制造的时候工序要复杂的多。这里只是列出最简单的一些必须工序。

7.应用与发展

热管技术目前被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电力、电子、煤碳、铁路、通讯、纺织等领域。

热管技术最早应用在航天器上，因为航天器面向太阳和背向太阳的部件温差较大，容易损坏，利用热管使其达到热平衡可解决这个问题。在高原地带铺设石油管道或铁路，使用热管可以防止冻土层被破坏。利用热管组成换热器来回收工业生产中的废热可节约大量的能源，在电力电子行业，因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围。因而广泛应用在工业变流技术、软启动技术、变频调速技术、无功补偿技术等电力半导体分立器件、模块和组件等电力电子设备上。

随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽，特别是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中的应用得到了极大的发展。

8.结语

本文从热管的基本原理、特性、类别、相容性、热管的制造及加工工艺和热管的应用与发展等几个方面对热管技术作一简要的阐述。热管的应用领域非常广泛，发展前景广阔。随着热管技术的不断发展，研发水平和制造工艺的不断提高，热管散热器在散热行业中会占有非常重要的地位。

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作者简介：
马永昌（1968-），男，河北阳原人，本科学历，工程师，从事变频器、热管散热器的研发、制造工作。

Heat Pipe Technology Application and Development
Ma Yong-chang

Rongxin Power Electronic Co., Ltd., China
No.108 keji Road,High-Tech Zone,Anshan City, PR China,114051,
picc33@163.com

ABSTRACT: Heat pipe technology is a heat conduction innovation emerged in 1960s, of which the heat conduction capability is superior to all other existing metal. Heat pipe plays very important role in heat sink manufacturing industry. In this paper, the working principle, characteristic, category, compatibility, workmanship and application of heat pipe is introduced.
KEY WORD: heat pipe technology, pipe shell, pipe core, Refrigerant (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/24/2009)


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