热管技术综述

热管技术综述

热管作为一种具有高换热率、结构简单、工作可靠、良好的等温性等优良性能的换热元件，在生产生活中有着广泛的应用，本文就热管的基本工作原理与形式、几种具体热管的研究现状、热管的应用几方面进行综述。

普通的热管通常由蒸发段和冷凝段组成，中间根据需要可布置绝热段。制造时先将内部抽成负压，再填装工质；工作时，工质从热源吸热蒸发，在小压差作用下流向冷凝段，在冷凝段放热冷凝，凝结液通过壁面金属网或多孔材料（吸液芯）的毛细力作用流回蒸发段，如此循环往复，实现热量由热源向冷源的传递。

在上述基本工作原理下，实际使用中的热管根据环境与用途可能又会有差异。在不同的温度下，热管的工质是不同的，选用工质时需要考虑在工作温度区间内工质要有良好的热性能、与热管材料有较好的兼容性等；在低温下（4~200K），通常会选用氦、氖、氮、氧、甲烷等工质，在中温下（200~700K，这是使用很广泛的温度区间），水具有良好热性能，氨由于与铝、钢等工程材料有更好地相容性也是很好的选择；在高温时（大于700K），通常会采用液态金属，如银、铯、钾、纳、锂等。在液体回流方式上，除了上述的靠毛细力回流外，在某些场合可将热管倾斜或垂直放置使用，这就是重力热管，此时不再需要吸液芯，结构简化，生产方便成本低；另外还有使用磁流体工质、提供旋转离心力、利用渗透力等其他回流方式的热管。实际使用中，根据使用环境的不同，可将热管做成各种形式，如圆柱形、环形、星形等。作为上述使用相变换热原理的热管的延伸，还有使用化学反应的焓变来代替相变的焓变的化学热管，其基本原理是通过可逆反应（又叫蓄热反应）在冷热源处的不同方向的反应热效应相反来实现热量的传递，可以想见，这类热管的重要课题是寻找可逆性好、正反反应速度都很大的蓄热反应。

热管具有众多优点：由于热管通过相变换热同时内部热阻小，其传热系数很大；由于工质蒸汽的饱和蒸汽压决定温度，它的等温性很好；由于内部压力小，蒸发段受热后蒸汽以近似音速前进，故响应特性好；同时机构简单，体积小、重量轻，维修方便；没有运动件，工作可靠；可工作在失重状态，从而可用于空间器件。上述优良性能使热管获得了广泛的应用。

热管有各种各样的种类，一些新型的热管如平板热管、环路热管、脉动热管等。

平板热管是由两块平行的板壳和吸液芯组成，通道截面为扁平的矩形。目前，出现了由多个微型热管平行排列组成的新型平板热管，它的两块平行紫铜板中间采用焊接的方式固定若干互相平行的细铜丝，其中每相邻两根铜丝和上下两块紫铜板之间围成一个通道，通道截面由两条半圆曲线和两条平行直线构成。平板热管具有质量轻、良好的启动性和均温性的优势，用热管基板代替金属基板能大大强化基板的热扩散，为与电子元件一体化封装提供了条件，因此平板热管成为目前电子元件散热方面的研究热点，在国外已经得到应用，然而在国内还没有很好实现产业化，主要原因是：虽然目前关于平板热管的研究较多，但平板热管的内部结构优化缺乏完善的理论模型指导设计；已有学者通过建立复杂的三维模型来分析平板热管，但研究还不够深入，尚待加强；加工制造上，对于提高平板热管的尺寸精度、毛细结构的附着等仍存在许多问题，必须改进加工技术与封装工艺。这些都当成为平板热管进一步开发研究实现产业化的努力方向。

环路热管是一种新型热控技术，正逐渐应用于空间飞行器的热控制，成为高功率航天器热控制的有效控制手段之一，同时也是各国航天部门研究的重要内容。

环路热管除了具有传统热管的优点之外，还克服了热管在反重力条件下不能工作的不足，其传热性能更加优越，而且结构布置更加灵活。在环路热管二十多年的研究过程中，人们对其启动过程、运行特点等很多方面已经有了较为清晰的认识和理解，但是对环路热管的小功率启动、温度波动以及向大功率负荷应用领域的拓宽等方面，无论是理论方面的探讨还是实验方面的观察，仍然需要大量的更深入的研究。全面掌握环路热管的工作机理和工作特点，进而深入开展环路热管在电子设备冷却领域的应用研究，具有重要的研究价值和非常广阔的应用前景。

脉动热管也是一种新型热管技术，具有结构简单、成本低廉和传热性能好，适应性强的优点，尤其在微电子散热、冷冻技术以及航空航天热控技术中都极具应用潜力。其运行机理是：工质在一个蛇形密闭的真空空间里，以低于常压蒸发温度受热蒸发产生气泡，气泡迅速膨胀和升压，形成蒸发端，推动工质流向低温冷凝段，气泡在冷凝段冷凝收缩并破裂，压力下降，工质回流。另外受热产生的蒸气和冷凝产生的液体在毛细管力和弯曲力的作用下，管内最后将形成气塞和液塞间隔随机分布的振荡状态。正是这样，由于冷热两端间存在压差以及相邻管间存在压力不平衡，使得工质在加热段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。各方面的实验研究和理论模拟研究都证明脉动热管的性能优越，但脉动热管技术暂时还没得到广泛的应用，主要是由于：脉动热管的运行机理并不十分明了，缺乏完善的理论模型指导设计；脉动热管应用的几个必要条件没有解决好，例如水平放置时的启动问题、工作稳定性等问题；与烧结型热管及沟槽型热管相比，脉动热管的加工过程多了折弯和焊接工序，延长了生产时间，增加了生成成本。为此未来脉动热管研究开发的方向是：针对加工过程相对复杂的问题，探索不同结构形式的脉动热管；脉动热管的微小化，满足微电子器件小尺度大热流的要求；利用脉动热管较高的传热能力，开发换热模组，扩展其应用范围。

热管的应用极为广泛，下面列举几个使用很多的方面。（1）用于余热回收：由于热管的结构决定了它是逆流换热，而内部温差小，换热效率很高，在小温差下也同样有很好的换热效果，同时小温差下，现代紧凑换热器可以在很小的空间内实现很大的换热面积。（2）用于航天器上：热管很适合用于失重场合，应用于航天器如高功率卫星，它可以很好地实现温度均匀化，延长其寿命，由于其具有变热流密度功能，可以将可变热导热管和辐射散热表面结合组成热管辐射器，较好地实现废热的排散。（3）用于电机和电器设备的冷却：可以有效实现电机、大功率电力电容器、变压器等电器设备的散热。（4）用于电子元件及微型组件的散热：随着电子技术的发展，半导体电路器件集成化程度越来越高，功率不断提升而其物理尺寸却不断缩小，热流密度的增大对散热提出了很高的要求，翅片和风扇强制散热已不能完全满足要求，热管的高传热率使得实现高热流密度的散热成为可能。

热管是一种高效的传热元件，总体来说，热管技术研究的重心已经从理论研究转移到应用研究，热管的应用已经由航天转向地面，由工业转向民用。目前，热管在太阳能利用、余热回收、空间器件温度控制、集成电路散热、化工、冶金、动力等领域的应用都取得了良好效果，同时这些方面的发展对散热的进一步需求将促进新型热管技术的开发和应用。

参考文献：