微热管及其传热理论分析
热管的传热原理及其应用特点
热管的传热原理及其应用特点在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量的热量通过其很小截面积远距离地传输而无需外加动力。
国际上对热管技术的研究和应用是在20世纪60年代开始的。
我国在这方面的研究起始于上世纪70年代，当时主要侧重的方向为电子器件冷却和空间飞行器上的应用。
80年代初，我国的热管研究和开发重点转向节能和能源的合理利用，相继开发了热管气—气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器等各类热管产品。
由于碳钢—水重力热管的结构简单、价格低廉、制造方便、易于推广，使得此类热管得到了广泛的应用。
随着科学技术的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽。
目前，热管及热管换热器已广泛应用于石油、化工、动力、冶金、建材、轻工等领域的高效传热设备，以及电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却及电路控制板等的冷却。
目前，除微型热管已批量化、大规模生产外，工业中余热回收用的热管换热器由于各种设备规模、大小、使用情况的不同，几乎每台设备都根据设备的工艺条件、现场情况设计、制造。
一、热管工作原理热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。
由热管组成的热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。
目前已广泛应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中，作为废热回收和工艺过程中热能利用的节能设备，取得了显著的经济效益。
典型的重力热管如图所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充入适量工质，在热管的下端加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下,上升到热管上端，并向外界放出热量，凝结为液体。
冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端。
由于是相变传热，因此热管内热阻很小，热管的高导热能力与银、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，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的特有机理，使冷热流体间的热交换均在管外进行，这就可以方便地进行强化传热。
SOG结构微热管理论研究硕士论文（可编辑）
工学硕士学位论文SOG结构微热管理论研究徐磊哈尔滨工业大学2008年 6月国内图书分类号TK1274国际图书分类号621382工学硕士学位论文SOG结构微热管理论研究硕士研究生徐磊导师刘晓为教授申请学位工学硕士学科专业微电子学与固体电子学所在单位微电子科学与技术系答辩日期 2008 年 6 月 30 日授予学位单位哈尔滨工业大学Classified Index TK1274UDC 621382Dissertation for the Master Degree in EngineeringTHEORETICAL RESERCH ON MICROFLAT HEAT PIPE WITH SILICON ONGLASS STRUCTURECandidate Xu LeiSupervisor Prof Liu XiaoweiAcademic Degree Applied for Master of EngineeringSpecialty Microelectronics and Solid-StateElectronicsDept of Microelectronics ScienceAffiliationand TechnologyJune 2008Date of DefenceHarbin Institute of TechnologyDegree-Conferring-Institution 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文对 SOG 结构微型平板热管进行了理论分析及建模仿真研究微热管依靠其内部工质相变进行热量传递具有传热效率高均温性能好无需外加动力等特点在芯片器件系统冷却等领域获得了广泛的应用随着微电子技术的不断发展单个芯片的集成度越来越高功耗越来越大而芯片面积却越来越小小面积产生的大热量如果不能及时散逸出去将会对芯片甚至整个系统的功能稳定性等造成极其严重的影响传统的散热方式已经不能满足高热流密度条件下芯片和器件的散热要求微热管以其优越的导热性能成为解决上述问题的首选技术从 Cotter 提出微热管的理论以来建立微热管理论模型一直是研究的焦点研究人员已就具有不同沟道形状的微型平板热管建立了或简或繁的一维稳态轴向毛细流动模型但是模型中没有考虑汽液界面剪切力的影响且存在一些参量定义模糊物理含义不明确的情况这些都对模型的准确性造成了影响本文在总结并综合现有微热管理论研究成果的基础上对现有的理论模型进行了改进采用控制体积法建立了微热管沟道内液体毛细流动的一维稳态模型将微热管稳态工作过程中汽液反向流动的界面剪切力引入了本理论模型的分析范畴大大增加了模型的准确性利用模型对微热管最大传热量进行了计算计算结果与文献报道的实验数据有很好的吻合性能够更准确的预测微热管最大传热量在此基础上通过对微热管在不同外形参数和工作条件下传热能力的分析得出了微热管的最佳水力直径值最佳沟道宽度值等对微热管的结构设计有参考意义的结论此外通过对微热管的工作极限进行分析和计算得出了微热管工作极限随工作温度变化的趋势有利于指导微热管设计关键词微型平板热管一维稳态模型最大传热量工作极限- I - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheoretical analysis and numerical simulation of SOG structure micro flatheat pipe are presented in this paper Micro heat pipes have very high heatconductivity by the phase changes of its working fluid without needs for extrapower For the advantages of micro heat pipes they are used in a lot of areassuch as the cooling of chips electronic components and electronic systems andso onLarger power and smaller area of a chip lead to very high powerdensity inan electronic chip Heat generated in the chip might strongly affect the functionand stability of the chip if the heat isnt dissipated efficiently and immediatelyTraditional ways of heat dissipation no longer match the high power densitycondition and micro heat pipe technique becomes the most appropriate way tosolve this problemSince Cotter introduced the definition of micro heat pipe some one-dimensional steady-state mathematical models for micro heat pipe with differentgroove shapes were established But the parameters and definitions are not veryclear in the previous models and the shear stress between vapor and fluid was notconsidered which result in imprecise of these models Account for the disadvantages mentioned above improvements are done to establish a one-dimensional mathematical model for micro heat pipe in this paper Parameters inthe model are clarified and the influences of vapor shear stress onthe heattransport performance are considered more precisely imum heat transportcapacity of micro heat pipe is calculated in addition The results predicted by themodel are compared with the published results in literature and show goodagreement The best hydraulic diameter and the best groove width are alsoobtained to direct the micro heat pipe design Besides the operation limits ofmicro heat pipe are analyzed and calculated to direct the design of MHPKeywords micro flat heat pipe 1-D steady-state model imum heat transport capacity operation limit- II - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要IAbstract II第 1章绪论 111 研究的目的和意义 112 国内外研究现状213 本文的主要研究内容 6第 2章微型热管的基本原理 821 热管基本原理 822 微热管基本工作原理 923 微热管传热极限 1224 本章小结 13第 3章微热管毛细流动建模和传热极限分析 14 31 微热管内毛细流动的数学模型 14311 微热管建模假设16312 微热管轴向毛细流动模型 17313 边界条件25314 模型说明25315 数值求解方法 2632 微热管工作极限分析 27321 毛细极限27322 沸腾极限30323 粘滞极限31324 声速极限3233 本章小结 33第 4章结果及讨论3441 微热管毛细半径的轴向分布 34411 工质流通面积分布 35412 界面剪切力的影响 36413 输入热量对微热管毛细半径分布的影响 37- III - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文414 水平倾角对微热管传热特性的影响 3842 微热管毛细流动参量的轴向分布3943 微热管最大传热量的预测40431 不同水力直径对微热管最大传热能力的影响40432 不同沟道宽度对微热管单位有效面积传热能力的影响 4244 本章小结 43结论 44参考文献45攻读学位期间发表的学术论文49哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 50哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 50致谢 51- IV - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论11 研究的目的和意义随着电子技术的不断发展芯片集成度越来越高且功耗越来越大芯片面积却越来越小小面积产生的大热量如果不能及时散逸出去将会对芯片甚至整[1]个系统的功能稳定性等造成极其严重的影响自 1950 年小规模集成电路问世以来集成电路经历了一个爆炸式的发展阶段大规模集成电路超大规模集成电路的出现使单个晶片上制作的电子元件由数十个增加到了上亿个除了对小型化的追求现代集成电路还追求高速而追求高速的结果就是电路功耗的飞速增长Intel处理器设计功率近十年的增长状况集中体现了集成电路功耗在这个阶段的发展历程图 1-1 给出了近 10 年Intel处理器设计功率的增长情况可以看出处理器的功耗整体是呈一种上升趋势虽然一些结构的改进使得处理器功耗有所降低但是无休止的对处理器高速高性能的追求使得处理器消耗的功耗越来越高图 1-1 近 10年 Intel CPU 功耗增长图Fig 1-1 Power increse of Intel CPU in the recent decade每种元器件或材料都有一定的工作温度范围超出这个范围可靠性就会急剧恶化单个半导体元件的温度每超过额定工作温度 10℃系统的可靠性降低约 50寿命降低一半现在装备的军用电子设备产生的故障有 20是由于电[2]子元件过热导致的功耗的不断增大将成为制约电路性能以及未来集成电路[3]发展的一个瓶颈所以新型散热技术的开发成为集成电路发展的关键自然对流风冷水冷等传统散热方式已经明显不能满足越来越高的热量- 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文散逸要求特别是在对温度均匀性要求较高的应用场合传统散热方式更是无法胜任微电子技术的发展集成电路技术的发展强烈要求新型冷却方式的出现表 1-1 给出了各种材料传热能力的对比可以看出微热管传递热量优势是巨大的表 1-1 微热管与常见导热材料导热能力比较Table 1-1 Comparison of conductivity between micro heat pipe and other conduction materials材料导热系数WmK微热管 10000200000铝 200300铜 386金刚石 2000微热管是以相变传热为基本工作原理的一种有效的散热器件微型热管能成功地解决诸如微电子芯片等微小电子器件的散热问题为其提供稳定的工作环境微热管还可以满足许多灵敏器件高均温性的要求所以微热管在航空航[4]天生物医药等领域得到了广泛的应用本课题对 SOGSilicon On Glass结构的硅微型多沟道平板热管进行了理论分析以及建模仿真研究通过建模仿真不仅可以直观地了解微热管工作的物理过程还可以对微热管结构和尺寸的设计起到指导作用12 国内外研究现状热管具有导热能力强应用范围广等众多优点从 1944年R S Gaugler提出热管基本原理开始热管就得到了广泛而深入的研究R S Gaugler提出的热管是一种重力型热管热管内部提供液体回流作用力的不是毛细吸液芯也不是微小沟道的尖角区而是重力而重力型热管也是该阶段研究的重点1963 年美国Los Alamos国家实验室的G M Grover发明了类似于Gaugler提出的传热元件并正式将此传热元件命名为热管Heat Pipe通过性能测试实验[5]Grover指出热管的热导率已超过任何一种已知的金属这让热管再次进入人们的视野逐渐得到广泛的关注但是直到此时热管还没有一套完善的理论作为支撑大部分的研究都是着眼于热管的实际应用或者如何通过实验来提高热管的工作性能太多经验性的结论缺少理论的支撑大大限制了热管的发展和普及直到 1965 年Cotter在长期从事热管研究之后终于提出了一整套的热- 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[6]管理论也成为现代热管理论的基础从此之后热管的实验研究有了理论支撑热管研究的重心开始由纯实验研究向理论与实验研究并重转移随着热管理论的丰富和发展热管结构也由重力型逐渐向毛细型转变越来越多的研究者进入了热管研究领域对于热管理论的完善数值模型的建立都起到良好的促进作用1974年以后热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视热管换热器以及热管锅炉相继问世国内对热管的研究主要开始于上世纪 70 年代研究的重点主要偏向于实际应用对热管理论方面的研究要比国外落后很多国内对热管的研究主要集中在研究所和高校当中普及范围很小由于研究单位比较少进展也很缓慢随着国内航天航空电子电机以及太阳能与地热利用等方面的飞速发展热管逐渐得到了广泛的认识和关注并逐渐成为传热领域的一颗新星在更大的范围得到了更广泛的应用和研究国内研究热管比较早的机构有中科院[7]热物理研究所重庆大学等研究院所和高校随着器件微型化的趋势越来越明显热管领域也发生了一场重大的革命而这场革命的发起者和奠基人是首先提出完整热管理论的Cotter1984 年Cotter较为完整地提出了微型热管的理论及展望为微型热管的研究与应用奠[8]定了理论基础热管从大型到微型的变革不仅仅是外形尺寸的改变更重要的是结构的改变大型热管即常规热管与微热管的本质区别在于两者为工质回流提供毛细力的机制是不同的常规热管以毛细吸液芯作为工质回流毛细力的提供者而微热管工质回流的作用力则是由沟道尖角区提供的舍去吸液芯后热管在结构和尺寸上便可以做的非常的小随着硅微加工技术的发展越来越多的微型热管是以硅片作为材料通过各种腐蚀技术或等离子刻蚀技术制作沟道从Cotter在 1984 年第五届国际热管会议上提出微热管的概念开始微热管的实验研究和理论分析得到了长足的发展与之相应的微热管的结构也发生了[8]很大的改变微型热管的具体结构从单根的微型热管发展到在固体基板上开出一簇微细沟道形成微型热管陈列大大提高了热管的传热能力后来又进一步设计出蒸汽腔互相连通的结构形成微槽平板热管结构有效地降低了热管内蒸汽对液体的反向流动所产生的界面摩擦力使得热管的最大传热量显[9]著提高这种平板热管是近年研究的热点下面具体介绍微型热管技术的发展历程和研究现状对微热管的理论分析首先开始于CotterCotter除了给出微热管的定义和比较简单的微热管内部传热传质理论还建立了微热管内部毛细流动的数学模- 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文型由于反向两相流的复杂性以及当时两相流理论的不完善Cotter在模型中忽略了汽液交界面蒸汽反向流动对液体流动的影响回避了微热管理论研究中一个非常重要的问题过高地估计了热管的传热能力在Cotter提出微热管理论伊始Babin提出了自己关于微热管定义的想法并在实验和理论两个方面[10]对微热管的传热极限及工作特性进行了研究这是对微热管传热极限的首次尝试性研究研究指出微热管的工作极限当中占主导地位的是毛细极限和声速极限此后微热管的理论分析得到了飞速发展各类数值模型不断被建立Longtin等人首先建立了微型热管的一维流动模型分析了压力速度及液膜厚[11]度的轴向分布以及热管的最大传热能力 D Khustalev等人从稳态的连续方程动量能量守恒方程以及Laplace-Young方程入手建立了数学模型对微型热[12]管的传热机理进行了系统的研究模型粗略地考虑了汽液界面摩擦力及冷凝段液固接触角的变化等因素对微热管沟道内部流体流动的影响Duncan等人对三角形截面的微型热管建立了计算毛细极限控制下的热管的传热能力蒸发[13]段的弯月面半径以及热管的最佳充液率分析模型 1996年G P Peterson等人在常弯月面的假设下利用控制容积法通过压力平衡对热管的毛细极限以及最大传热能力进行了分析在蒸发段始端的控制单元内通过蒸发量和液体流量的[14]平衡得到了最小弯月面半径除了水力学模型各种各样的热力学模型也在发展当中水力学模型以研究热管内部流体流动以及压力摩擦力及毛细半径等沿轴向的分布为其研究目的而热力学模型则是以研究微热管温度分布为其研究目的在众多的热力学模型当中尤以热阻理论倍受青睐H B Ma等人建立了数学模型分析了壁面的轴向温度分布液膜内的温度场以及热管的最大传热能力模型考虑了脱离压力摩擦力以及热阻的影响并且考虑了液膜宏观部分的传热研究结果认[15]为温度降主要在蒸发段为增加传热能力需增大热管内的薄液膜区面积C B Sobhan等人对三角形截面的微型热管内的汽液流动进行了一维的瞬态分[16]析计算所得到的蒸汽温度分布可以用来计算热管的有效导热系数微型热管阵列是单根微热管向微型平板热管发展的中间阶段微热管具有超强的传热能力但是单根微热管的传热能力毕竟是有限的而增大微热管传热能力最直接的方法就是增加单板上微热管的数量从而形成一个微型热管阵列在微型热管阵列的研究过程当中Peterson等人作了大量高水平的研究他们对制作在硅片上的两种微型热管阵列进行了实验研究详述了热管阵列的加工制作过程研究发现微型热管阵列大大降低了硅晶片上的温度三角形- 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[17- 19]沟道的效果更加显著在单根型微热管和阵列型微热管中液体和气体在共同的通道中反向流动相互之间的摩擦力是非常巨大的特别是蒸汽流动对液体流动的作用力将严重的影响到微热管中液体由冷凝段回流到蒸发段进而对微热管的最大传热能力产生巨大的影响在微小沟道中这种界面的摩擦力尤为重要为了减小这一界面剪切力的影响微型平板热管结构应运而生微型平板热管是在阵列微热管的基础上发展而来的与阵列微热管相比平板微热管的改进之处在于将阵列热管中分离的蒸汽空间进行了连通这增大了蒸汽流通的空间减小了蒸汽的压力差从而有效的减小了蒸汽的流速研究发现蒸汽流速的降低可以有[20]效的减小汽液界面剪切力减小该剪切力对冷凝液回流的阻碍这种微型平板热管具有质量轻良好的启动性和均温性等优势成为目前电子元件散热方面的热点研究对象D Khrustalev 和A Faghri对低温轴向沟道常规热管和小型平板热管建立了数学模型该模型考虑了通过沟道内液膜和沟道间肋面的传热汽液间的剪切[ 21 ]力影响并将数值计算结果与Schlitt的实验数据进行了比较 1996 年[22]Huang等人对一个平板热管中的液体流动建立了二维流体力学模型次年Qin等人考虑了各向异性的二维毛细结构对Huang等人建立的模型进行了改进[23]但是这两种模型都没有考虑微型热管中蒸汽流动对液体流动的影响1997 年Y Cao 等人对轴向开矩形槽铜水微型平板热管进行了理论和实验研究实验发现平板热管的传热能力随工作温度的提高而增大且垂直放置较水平放置[24]有更大的传热能力 1999年R Hopkins等人对三种轴向沟道的铜水平板热管在不同工作温度下的传热量轴向温度分布和热阻进行了理论和实验研究发现一般情况下毛细极限限制着微型平板热管的传热性能但在高工作温度尤其是在垂直放置时以沸腾极限严重限制微热管的最大传热能力沟道窄深[25]度大的平板热管其传热能力更大2002年S W Kang等人采用体硅加工工艺和共晶键合技术在 4英寸硅片上制作了一个由三层结构形成的径向微热管该结构中蒸汽流和液体流分离以减小界面摩擦力他们还研究了不同输入功率下充液率对热管性能的影响[26]实验结果显示此种径向平板热管的最佳充液率为 70 2003 年F Lefevre 等人建立了这种微热管的一维流体力学模型并计算出其最大传热量而且计[27]算结果与之前Hopkins等人的实验数据取得较好的符合 2005 年Suman等人对微沟道平板热管进行了稳态分析建立了归一化的一维稳态模型通过对模[28]型输入参数的调整得出了各设计参数对微热管性能的影响同年Suman还- 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对微热管的瞬态特性进行了研究详细分析了微热管的启动过程和烧干过程[29]扩大了微热管理论研究的范畴2006 年Guillaume Pandraud等人对三角形沟道的微型平板热管进行了实验研究研究中他们以硅作为热管制作的材料分析了不同工作液体对热管性[30]能的影响 F Lefevr和M Lallemand则对一个平板微型热管中的液体流动和[31]蒸汽流动同时进行了分析计算出了微型热管壁上的温度分布同年MIvanova等人设计并制作了一个硅微型径向平板热管建立了一维的两相流模型[32]对微型热管的传热性能进行仿真并优化 2007 年A JJiao等人针对梯形沟道的微型平板热管建立了一个详细的数学模型分析有效接触角对微沟道中弯月面半径薄液膜分布状况及蒸发段热流密度的影响该研究加深了人们对微[33]热管沟道中薄液膜蒸发的认识和理解 G Carbajal等人对微型平板热管建立了准三维的数学模型该研究拓展了微热管理论建模的范畴具有非常重要的[34]启示意义从 1984 年 Cotter 提出微热管的基本理论到现在这 20 多年间微热管的理论内涵得到了很大的补充各种各样的微热管流动模型和传热模型被建立起来从单根微热管到平板微热管都有研究人员建立与之相应的模型现有的微平板热管数学模型已经有了一定的精确度但是由于存在一些不合理的假设使得模型精确度难以得到进一步的提升由于汽液界面剪切力的复杂性大多数微热管理论模型在建模过程中忽略了这种剪切力的影响而实验证明微热管中汽液界面剪切力是非常巨大的所以忽略界面剪切力的影响将大大减弱模型预测的准确性本文对微热管中汽液界面的剪切力进行了详细的分析并在建立微热管一维稳态流动模型的过程中加入了剪切力项使得模型更能反映微热管实际工作时的物理状态也使得模型具有更好的精确性此外现有的微热管一维流动数值模型大多数存在相关外形尺寸定义不明方程中出现的参数含义不确切等情况这些模糊参数的存在大大影响了微热管模型的可用性以及可移植性本文在研究现有模型及相关流体流动知识的基础上对这些不明的物理量进行了详细的分析以期本模型具有更好的实用性13 本文的主要研究内容本文将对 SOG 结构微型平板热管沟道内部流体流动物理过程进行理论分析在现有模型的基础上建立平板微热管的一维稳态毛细流动模型并对微热- 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文管的工作极限进行研究在对现有微热管数学模型及其不足之处进行充分调研分析后拟开展如下几项研究工作1 研究界面剪切力的表达式并将界面剪切力项加入微热管理论模型当中2 对现有微热管一维稳态模型中的不合理假设进行修正对现有模型的尺寸参数和物理参数进行分析并给出明确的定义3 研究热管输入热量水平倾角及界面剪切力等对热管传热特性的影响计算微热管最大传热能力并与实验结果进行对比和分析4 研究沟道水力直径沟道宽度等外形参数对微热管最大传热能力的影响计算沟道水力直径和沟道宽度的最佳值5 对微热管的工作极限进行研究分析工作温度对微热管最大传热能力的影响- 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章微型热管的基本原理热管从 1944 年发明至今经历了从重力型到微小平板型的发展大量的理论研究和实验研究不断丰富着热管理论从各种不同的角度努力揭示热管工作的物理过程虽然各种热管理论越来越丰富热管的结构也在不断的变化但是从根本上说热管的基本工作原理始终没有改变本章将对热管及微热管的基本工作原理进行介绍为下一章建立微热管的数学模型作理论铺垫此外本章还将对微热管的工作极限作简要介绍并在下一章作详细讨论21 热管基本原理热管是利用工质相变换热进行传热的元件常规热管的结构如图 2-1 所示从图 2-1 中可以看出热管主要由密封管壳吸液芯在微型热管中可能无吸液芯及蒸汽通道三部分组成吸液芯主要有网状吸液芯线状吸液芯和螺旋吸液芯等热管工作时冷凝液在吸液芯的作用下由冷凝段流回蒸发段所以吸液芯的结构是影响热管导热能力强弱的关键热管管壳要求与工质有良好的。
微热管及其传热理论分析
模型的控制方程
对于有限容积单元dz，在其处于稳定状态 时满足质量恒定，即单位时间内流入有限容 积单元dz和流出dz的质量是相等的，如下 图所示。
模型的控制方程
质量守恒方程
dul dAl 1 dQ( z ) l Al l ul dz dz N h fg dz
duv dAv 1 dQ( z ) v Av vuv dz dz N h fg dz
微热管阵列
上述单根微型热管的传热量往往不是很大，为了提高传热能力，在基底材料上加工 出一系列独立、平行的微细槽道，形成微型热管阵列，以增加散热面积。这种微型热管 阵列在启动后的短时间内，由于总压降的不平衡，其内部可能出现汽液流动方向相同的 现象。而且由于汽态和液态工质共用同一流动通道，其高速反向运动带来的截面剪切摩 擦力降低了微热管的传热性能。为此，人们将这些微型热管簇的蒸汽空间连通，形成微 型平板热管。微热管由阵列型向平板型转变的结构改变由下图给出。
热管液汽分界面的形状
（a）管起动前的液—汽交界面 （b）热管工作时的液—汽交界面 （c）吸液芯内液—汽界面参数
微热管
微热管的结构及工作原理与常规热管类似，最大的区别是常规热管内部通常 存在专门提供毛细力以供工质回流的毛细吸液芯；而微热管则主要是通过沟道 尖角区完成工质的回流。
理论分析发现只要是非圆形的 截面都能提供或大或小的毛细力。 微热管发展之初，常用的沟道结构 主要是简单的三角形和矩形结构， 图中(a)、(b)、(c)。随着机械加工 和其他各种加工技术的发展，一些 比较不规则的结构也进入研究之列， 如图中(d)、(e)、(f)。
式中 r0 —弯月面半径在蒸发段端处的初值； psat —在工作温度下的饱和蒸汽压。
模型的控制方程
热管的原理及应用实例
热管的原理及应用实例1. 热管的原理热管是一种利用毛细作用传递热量的热传输器件。
它主要由一个密封的金属管内部充填着工作流体组成。
热管的原理可以简要概括为以下几个步骤：•蒸发段：热管的工作流体在蒸发段受热变成蒸汽，并且吸热带走热量。
•对流段：蒸汽在对流段中传递到冷凝段，同时冷凝为液体，并且释放出吸收的热量。
•冷凝段：冷凝的工作流体液体通过毛细作用返回到蒸发段，完成循环。
热管通过不断的汽化和冷凝过程，实现了高效率的热传输。
它具有以下一些特点：•高传热效率：热管能够实现高效率的热传输，因为工作流体在蒸发和冷凝过程中，具有高传热系数的特点。
•无需外部动力：热管是靠毛细作用来实现液体循环，无需外部动力，因此具有较低的功耗。
•温度均匀性：热管可以实现温度均匀分布，适用于对温度要求较高的应用场景。
•避免热应力：热管的高传热效率可以避免在恶劣工况下产生热应力造成的热破坏。
2. 热管的应用实例热管作为一种高效的热传输器件，已经在多个领域得到了广泛的应用。
以下是几个热管应用的实例：2.1 汽车发动机散热系统热管在汽车发动机散热系统中的应用已经成为一种趋势。
热管可以将发动机上产生的热量传递到散热器上，实现高效的散热。
它可以提高发动机的工作效率，延长发动机寿命。
2.2 电子设备散热热管在电子设备散热领域也有着广泛的应用。
例如，在笔记本电脑中，热管可以将电子设备产生的热量传递到散热风扇上，从而保持设备的正常工作温度。
热管可以提高设备的稳定性和寿命。
2.3 太阳能热水器热管在太阳能热水器中的应用也很常见。
热管可以将太阳能板上的热量传递到水箱中，从而实现太阳能的热水供应。
热管具有高效的传热性能，可以提高太阳能热水器的热转换效率。
2.4 空调系统热管在空调系统中的应用也逐渐增多。
热管可以用于室内和室外机之间的热量传递，提高空调系统的能效比。
热管还可以降低室内机的噪音和震动，提高舒适度。
2.5 光伏系统热管在光伏系统中的应用也具有重要意义。
微热管的相关研究及发展方向
微热管的相关研究及发展方向刘志超;吴俊廷;战乃岩;宁兆祺;姜胜男【摘要】微热管由于其高导热性能,国内外学者对其展开了丰富细致的研究,本文旨在对前人的微热管散热性能进行了总结,并提出了今后微热管研究的方向.【期刊名称】《建材与装饰》【年(卷),期】2017(000)025【总页数】1页(P99)【关键词】微热管;传热能力;传热速率;压力差【作者】刘志超;吴俊廷;战乃岩;宁兆祺;姜胜男【作者单位】吉林建筑大学吉林长春 130000;吉林建筑大学吉林长春 130000;吉林建筑大学吉林长春 130000;吉林建筑大学吉林长春 130000;吉林建筑大学吉林长春 130000【正文语种】中文【中图分类】TK172.4微热管阵列是一个外形为薄板状、内部布置有多根独立运行的微热管的金属体，是具有超导热性能的导热元件。
每个微热管阵列内部有十多个以上独立运行的微热管，能够解决利用常规圆形热管必然出现的接触面小或者多次接触热阻，极大提高了当量蒸汽的换热面积与整体热管的可靠性具有热响应快、接触面积大、传热能力强、均温性好、成本低等优点[1]。
1984年T.P Cotter等人提出了热管微型化的设想并将其概念化，为微热管的研究开辟了道路；自微热管的概念被提出以来，微型热管的结构，经历了重力型、具有毛细芯的单根热管，到具有一簇平行独立微槽道的平板热管，进而发展到内部槽道簇之间通过蒸汽空间相互连通的形式。
近二十几年来，微热管技术用于冷却电子元器件得到了很大的发展，国内外有许多学者进行了研究[2～4]。
Yew Mun Hung等人通过将相变界面电阻模型与基于用于流体流动和热传递的第一原理的数学模型进行耦合，分析液相和汽相以及其它场变量的轴向温度变化。
这些发现为微型热管分析中液相和气相的均匀温度假设的有效性提供了一个明确的定义。
Hrustalev D K开发了详细的数学模型，模拟微热管中的热和质量传递过程。
该模型描述了液体在微热管中的分布，且其传热特性取决于液体充量和所施加的热负荷。
SOG结构微热管理论研究
工学硕士学位论文SOG结构微热管理论研究徐磊哈尔滨工业大学2008年6月国内图书分类号：TK127.4国际图书分类号：621.382工学硕士学位论文SOG结构微热管理论研究硕士研究生：徐磊导师：刘晓为教授申请学位：工学硕士学科、专业：微电子学与固体电子学所在单位：微电子科学与技术系答辩日期：2008年6月30日授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TK127.4U.D.C: 621.382Dissertation for the Master Degree in Engineering THEORETICAL RESERCH ON MICRO FLAT HEAT PIPE WITH SILICON ONGLASS STRUCTURECandidate:Supervisor:Academic Degree Applied for: Specialty:Affiliation：Date of Defence:Degree-Conferring-Institution:Xu LeiProf. Liu XiaoweiMaster of Engineering Microelectronics and Solid-State ElectronicsDept. of Microelectronics Science and TechnologyJune, 2008Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本文对SOG结构微型平板热管进行了理论分析及建模仿真研究。
微热管依靠其内部工质相变进行热量传递，具有传热效率高，均温性能好，无需外加动力等特点，在芯片、器件、系统冷却等领域获得了广泛的应用。
随着微电子技术的不断发展，单个芯片的集成度越来越高功耗越来越大而芯片面积却越来越小。
小面积产生的大热量如果不能及时散逸出去将会对芯片甚至整个系统的功能、稳定性等造成极其严重的影响。
热管换热器工作原理及特点-概述说明以及解释
热管换热器工作原理及特点-概述说明以及解释1.引言1.1 概述热管换热器是一种高效换热设备，利用热管作为传热介质，通过在换热器内部的传热管路中进行传热工作，实现热量的传递和换热。
热管换热器具有结构简单、能耗低、换热效率高等特点，在工程领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍热管换热器的工作原理、特点以及在工程应用中的优势，希望通过深入的研究和分析，能为读者提供更加全面和深入的了解，为今后热管换热器在工程实践中的应用提供借鉴和参考。
1.2 文章结构本文将首先介绍热管换热器的工作原理，包括其基本工作原理和传热过程，以帮助读者深入了解热管换热器的工作机制。
接着，我们将探讨热管换热器的特点，包括其高效换热、结构简单等优势，以便读者对热管换热器在工程中的应用有更全面的认识。
最后，我们将重点讨论热管换热器在工程应用中的优势，以展示其在实际工程中的重要性和价值。
通过对热管换热器的原理、特点和应用优势进行全面介绍，本文旨在帮助读者深入理解和应用热管换热器技术。
1.3 目的：本文旨在深入介绍热管换热器的工作原理及特点，探讨其在工程应用中的优势。
通过对热管换热器的全面解析，旨在帮助读者全面了解该换热器的优点和适用领域，为工程实践提供参考和指导。
同时，通过对热管换热器未来发展前景的展望，进一步探讨该技术在换热领域的潜力和发展方向。
希望本文能为读者提供一份全面且深入的研究参考，促进热管换热器技术的不断创新与发展。
2.正文2.1 热管换热器的工作原理热管换热器是一种利用热管换热原理实现热量转移的换热设备。
其工作原理是通过热管内介质的相变过程来实现热量的传递。
热管换热器主要包括蒸发段和冷凝段两部分。
在蒸发段，工作介质（如液态水）受热后蒸发成为蒸汽，蒸汽通过热管的热传递作用被传输到冷凝段。
在冷凝段，蒸汽失去热量后冷凝成为液态介质，释放出的热量再次通过热管传递到冷却介质。
通过这样的过程，热管换热器实现了热量的高效传递，并具有一定的节能效果。
一种新型平板式微热管的设计研究
一种新型平板式微热管的设计研究[摘要]自从1984年Cotter提出“微型热管”的概念以来，管式微热管技术已在微电子冷却领域得到广泛的应用，但由于管式微热管受热面积和冷却面积的局限性，限制了其应用。
本文对新型热管进行了新的结构设计，选用铜丝作为吸液芯结构，铜为基底材料，乙醇作为工作液体以其提高散热效果。
[关键词]铜丝；散热；新型平板式微热管引言平板式微热管作为普通管式微热管的改进结构，目前已成为热管研究与开发的热点技术。
其中平板热管由于其良好的蒸发吸热特性和形状易于与芯片贴合等优点被越来越多地应用于芯片散热，而微热管或内微结构具有强化传热传质的作用，引起研究者越来越多的关注。
现有以强制空气冷却为主的微处理器散热技术最多约只能处理60%微处理器所产生的废热，需依赖新一代小质轻且效率极高的电子冷却技术来解决。
如突破该散热技术瓶颈，则可推动电子器件发展到一个新的高度。
1.新型平板式微热管本文所设计的新型平板式热管，它包括封闭壳体、吸液芯以及液体工质。
封闭壳体的内部空腔被抽成真空，并灌注一定量的液体工质；吸液芯结构由铜丝分别与基板、隔板和铜丝形成锋利的尖角区代替，锋利的尖角区能够为液体工质回流提供较大的毛细力。
平板式微热管的散热平面有代沟槽的上盖板所代替，增大了散热面积，使平板热管的散热特性增强，提高散热效率。
2.热管的工作原理热管是利用工质相变换热进行传热的元件。
典型的热管由管壳、吸液芯（在微型热管中可能没有吸液芯）和蒸汽通道组成，它的基本工作原理示意图如图1所示。
管的一端为吸热端（加热段），另一端为散热端（冷却段），介于蒸发段和冷凝段之间的为绝热段。
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。
如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端。
热管是通过相变传递潜热来传递热量的，其传递的热量远远比通过对流或传导传递的热量多。
纤维复合沟槽吸液芯微热管的传热性能实验
高工 质 蒸发 的逃 逸 速度 ， 从 而提 高热 管 的传热 效 率 ；
文献 ［ １ ０ ］ 在 普通 烧结 吸液 芯 上加 工一 些 沟 槽 ， 并 对
目前 在各 个行 业 ， 尤 其 是 在 电子 行 业 中的运 用 非 常
其进 行分 析 和研 究 ， 发 现 这 种 多孔 沟 槽 吸 液 芯 能 够
增加 工质 蒸 发 的表 面 积 和工 质 回流 的通 道 ， 沟 槽 的
广泛． 微 热管 有 多 种 ， 常 见 的 有 沟 槽 式 。 Ｊ 、 普 通 铜 粉烧 结式 ｊ 和 铜 粉 复合 沟 槽 烧 结 式 等 ． 为 了不 断提 高微 热管 的传 热性 能 ， 已有 许 多研 究 者 对 微 热 管 的关 键 毛细 芯结 构 进 行 了大 量 理 论 及 实 验 研 究 ． 文献 ［ ７ — ８ ］ 中制作 了一种 将 小粒 径铜 粉 先烧 结 成簇 ， 后再 次烧结 的双峰孑 Ｌ 径 吸液 芯 ， 并将其 与单 峰孔 径 吸
化蒸发 ， 从而有效提高热管的传热性能． 由此可见 ， 能 够提高热 管传热性 能的吸液 芯结 构有 多种 ， 文 中采 用 较简单 的填入 式 烧 结法 ¨ ， 将 纤 维 通 过振 动 装 置 均 匀填人芯棒 和沟槽管之 间 ， 然后在 给定 温度 和时 间下
烧结成型 ， 探 索一种新 型毛细 吸液芯结 构热 管— — 纤
芯 的热阻较单 峰孔 径 的明显 降低 ； 文献 ［ ９ ］ 研 究 了一 种将 可溶解 固体 Ｎ ａ ， Ｃ Ｏ 与铜 粉混合烧 结 后形成 的双
微热管阵列技术介绍
微热管阵列技术
微热管阵列是一个外形为薄板，内部并列多根独 立运行的热管微细阵列。
平板微热管阵列技术是微尺度传热传质、相变传
热传质及微尺度内高压条件下复杂流动等基础理
论及材料与加工、封装工艺等相结合的综合应用
技术。
微热管阵列技术
微热管阵列—具有超导热性能的导热元件，具 有以下特点：
热传导率高： 是同样金属材质热传导率
小型除湿器
各种温控换热器
微热管阵列热控技术
笔记本CPU散热器
笔记本CPU散热器
台式电脑CPU散热器
微热管阵列热控技术
余热温差发电系统
现代社会所使用的一次能源中，相当大的一部分在其运送，储存， 变换及利用过程中作为废热被排掉。这些废热达到一次能源总量 的2/3。由于大部分废热温度较低，即属低品位热，分散且无法 集中，现有的技术很难再利用而不得不被扔掉。本研究所利用微 热管阵列具有高效收集和传输热量的特性，开发出用于各种工业 窑炉壁面或烟气余热、热电厂热水余热的高效温差发电系统。
所以为了保证电池的电功率, 应该保持较低的电池温度， 电池板的冷却对光伏发电具有重要的意义。
新型光伏光热组件
平板热管并排敷设于电池板背部； 平板热管的蒸发端吸收电池板的散热 量，在平板热管的冷凝段将热量传递至集 热水槽的工质； 光伏电池板与平板热管，及平板热管 与集热水槽间为干式接触，中间涂有导热 硅胶减少传热热阻。
热管的应用
神舟飞船的热控制系统：热控制系统用于保证飞船各舱仪 器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件，合理调配 飞船之间的热量的传输，并排放到宇宙空间。他通常采用 流体对流换热方式。其传热回路可以采用泵驱动液体回路 、热管辐射回路和毛细泵抽吸回路等。 建在海拔4000米以上高原地带的青藏铁路，很长一段路基 下是长年不融化的永久冻土层，每到夏季，因地面温度升 高，导致路基表层土质松软，给火车安全运行带来隐患， 解决冻土融涨问题成为青藏铁路建设成败的关键。专家们 经讨论选择了热管技术来保护冻土的措施。
平板微热管阵列垂直传热的数值分析
摘要 ：对新型 高效传热元件平板微热管阵列 （ ＭＨ Ｐ Ａ）的工作机理进行 了理论研 究。通过建立分 区微元模 型对 热
管冷凝段 内部工质 的流动与传热过程进行了分析 。确 定了微槽 内冷凝液膜 的厚度 ，温度场分布及质量流量等物理 参数 。利用 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ软件编 写的程序计算结果与实验值吻合较好 ，最大误差在 ５ ％以内。根据软件计算的结果，拟
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｉ ｓ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｈ ｅ ａ ｔ ｐ ｉ ｐ ｅ ａ ｒ ｒ ａ ｙ ｓ（ ＭＨＰ Ａｓ ） ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｎ ｅ ｗ
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传热微热管阵列平板
传热微热管阵列平板1. 引言1.1 概述概述部分的内容如下：随着电子设备和电子元件的不断发展和进步，高功率密度和高散热需求成为了当今科技领域的一个重点。
传统的散热技术已经无法满足这些需求，因此人们开始寻找更高效和可靠的散热方案。
微热管作为一种高效的散热器件，近年来备受关注。
它是利用液体在其内部的循环流动来传导热量的一种热传导器件。
微热管具有许多优点，如高传热效率、紧凑的结构、低温梯度和可靠的运行等。
本文中我们将讨论的主题是微热管阵列平板。
微热管阵列平板是一种应用广泛的散热设备，其具有较大的传热面积和强大的散热能力。
其基本原理是将多个微热管集成在一个平板上，并通过液体在管道内循环流动的方式，将热量从热源传递到散热部件。
本文将首先介绍微热管的原理和应用。
然后，我们将详细探讨微热管阵列平板的设计和制备过程。
这将包括选取合适的材料、确定适当的管道结构和布局以及制备过程的优化等方面的内容。
通过对微热管阵列平板的研究和分析，我们可以为电子设备和电子元件的散热问题提供一种高效、可靠的解决方案。
总之，本文旨在通过对传热微热管阵列平板的研究和分析，提供一种高效、可靠的散热方案。
通过深入探讨微热管的原理和应用，以及具体设计和制备的步骤，我们可以更好地理解和应用微热管阵列平板在实际工程中的作用和价值。
随着科技的不断进步和发展，我们相信微热管阵列平板将在散热领域发挥越来越重要的作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：本文采用以下结构进行组织。
首先，在引言部分，我们将概述本文的主要内容及目的。
其次，在正文部分，我们将详细介绍微热管的原理和应用，以及微热管阵列平板的设计和制备方法。
最后，在结论部分，我们将总结本文的主要观点，并展望微热管阵列平板在未来的应用前景。
具体来说，第1节将介绍微热管的原理和应用。
我们将介绍微热管的基本工作原理，包括传热机制和热管内部的流体循环过程。
同时，我们还将探讨微热管在不同领域的应用，例如电子器件散热、太阳能集热等。
蒸汽腔平板微热管仿真及传热性能测试
蒸汽腔平板微热管仿真及传热性能测试*罗 怡，于子程，甲 宸，王晓东 （大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统工程重点实验室，大连 116024）[摘要] 平板微热管是一种新型的气液两相流传热器件，在空间有限的紧凑器件热控系统中应用更有优势，但是目前性能仍有很大提升空间。
首先分析了具有蒸汽腔的平板微热管的工质输运特性，设计并制作了体积为45mm ×16mm ×1.75mm 的蒸汽腔微热管，其中蒸汽腔的深度为200μm 。
制作了同样尺寸的无蒸汽腔微热管进行传热性能对比。
试验结果表明，仿真分析与试验的温度差异在10%左右，高速图像采集系统采集图像与仿真图像可以较好地吻合。
当输入功率为6W 时，蒸汽腔热管的平衡温度为70.4℃，而相同功率下没有蒸汽腔热管的平衡温度为118℃。
在1~6W 输入功率下，蒸汽腔热管的平衡温度要明显低于没有蒸汽腔热管的平衡温度，因此蒸汽腔对于减小气态工质循环阻力，提高微热管传热能力有较大影响。
本研究可为平板微热管的优化设计提供借鉴。
关键词：平板微热管；蒸汽腔；仿真；传热性能DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2017.14.032速度的影响，数值分析结果表明，当电场强度增强时，气体压强会减小，电场区域增大时液体压强会增大。
Li 等[4]提出了一种基于铜粉烧结的吸液芯的热管，水平放置时在热阻0.196℃/W 能有效散热120W。
刘一兵[5]在考虑到气液界面摩擦力的情况下，用ANSYS 仿真软件进行仿真，迭代出热管表面中心点温度与仿真结果比较，误差为5.27%。
张孟臣[6]进行了蒸汽腔热管蒸发与凝结的耦合传热试验，研究得出蒸发与凝结换热系数达到最大值时对应的充液率分别为33%和52%。
胡润等[7]加工了一种小型平板蒸汽腔并进行试验，试验结果表明当输入功率为22.1W 时，平板蒸汽腔的热阻为0.01℃/W。
李西兵等[8]建立了矩形沟槽式圆形微热管的黏性极限、声速极限、携带极限、毛细极限、冷凝极限、沸腾极罗 怡教授，博士生导师，发表SCI 和EI 检索论文40余篇，授权国家发明专利12项。
9-一种新型微热管传热性能的实验研究
图 4 所示为微热管在 90 倾角下按不同充液比 充装甲醇时所得的热阻曲线。为便于比较, 图中也 提供了无工质时的热阻曲线。由图可知, 无工质时, 热阻随加热功率的变化很小, 基本保持一个恒定值。 充入甲醇后, 微热管热阻明显降低, 热阻随加热功率 的变化曲线近似为一双曲线, 在较低的加热功率范 围内, 总热 阻呈快速下降趋势; 随着加 热功率的加 大, 热阻的变化趋于平缓, 当加热功率继续增大到一
图 7 无工质下相应平板换热器的温度分布
数据难以比较热管本身传热的好坏。为此, 下文将
对热管总热阻进行分解, 以深入分析热管各部分热
阻的特点。
从实验件结构可以看出, 微热管的总热阻包括
了 3 个部分: 加热热阻 R h 、热沉热阻 R s、热管热阻 Rp 。加热热阻 R h 为 1 号热电偶与热管受热表面之 间热阻, 定义为:
关 键 词: 平板微热管; 工质; 倾角; 充液比; 电子冷却
热管技术及其工程应用传热极限计算
热管技术及其工程应用热管的传热极限声速极限： 热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发端出口处蒸汽速度可能达到声速或者超声速，而出现堵塞现象，这时的最大传热量被称为声速极限。
毛细极限：热管正常工作的必要条件是△P cap ≥△P v +△P l ±△P g 。
如果加热量超过了某一数值，由毛细力作用抽回的液体就不能满足蒸发所需的量，于是便会出现蒸发段的吸液芯干涸，蒸发段管壁温度剧烈上升，甚至出现烧坏管壁的现象，这就是所谓的毛细传热极限。
沸腾极限：热管蒸发段的主要传热机理是导热加蒸发。
当热管处于低热流量的情况下，热量的一部分通过吸液芯和液体传导到汽-液分界面上，另一部分则通过自然对流到达汽-液分界面，并形成液体的蒸发。
如果热流量增大，与管壁接触的液体将逐渐过热，并会在核化中心生成气泡。
热管工作时应避免气泡的生成，因为吸液芯中一旦形成气泡后，如果不能顺利穿过吸液芯运动到液体表面，就将引起表面过热，以致破坏热管的正常工作。
因此将热管蒸发段在管壁处液体生成气泡时的最大传热量称作沸腾传热极限。
粘性极限：当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零，如液态金属热管，在这种情况下，热管传热极限将受到限制，热管的工作温度低于正常温度时将遇到这种极限，它又被称为蒸汽压力极限。
携带极限：当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。
这种现象减少了冷凝回流液，限制了传热能力。
以下就以氨为工质展开五种传热极限的相关计算，氨的物性参数如下表所示：例：工质氨的热管，直径φ=3mm,壁厚 =0.3mm,长度L=300mm ，工作温度240K,有效长度eff l 为150mm 。
试确定该热管的传热功率。
一、声速极限解: 3NH 在240K 时的有关物理参数如下： 蒸汽密度 ρ=0.8972 kg/m 3饱和温度 T/K 饱和压 力Pv/106P a汽化潜热h fg /(kJ /kg) 蒸汽密度ρv /(kg/m 3)蒸汽粘度μv /10-6(N ·s/m 2) 表面张力σ/10-3（N/m ） 液体密度ρl /(kg/m 3)液体粘度μl /10-8(N ·s/m 2) 240 0.10226 1369 0.8972 9.16 33.9 681.4 273250 0.16496 1339 1.404 9.54 31.5 668.9 245 260 0.25529 1307 2.115 9.93 29.2 656.1 220 270 0.381 1273 3.086 10.31 26.9 642.9 197 280 0.55077 1237 4.38 10.7 24.7 629.2 176 290 0.77413 1198 6.071 11.07 22.4 615.0 157.7 300 1.0614 1159 8.247 11.45 20.2 600.2 141.0 310 1.4235 1113 11.01 11.86 18 584.6 126.0 320 1.8721 1066 14.51 12.29 15.9 568.2 113.4 330 2.41961014 18.89 12.74 13.7 550.9 101.9饱和蒸汽压 v P =0.10226×610Pa 汽化潜热 fg h =1369×310J/kg 比热容比 v γ=4/3=1.33 分子量 M=17通用气体常数 o R =8.314×310J/(kmol ·K)蒸汽的气体常数 v R =8.314×310÷17=478.47 J/(kg ·K) 汽腔的横截面积 v A =26232108.3)102.2(44m d --⨯=⨯⨯=ππν将以上数据带入计算公式中，有21max,)1(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=v o v v fg o v s T R h A Q γγρ=()2136133.1224047.47833.11013698972.0108.3⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=844.97W 声速极限的规律总结如下：二、毛细极限解: 3NH 在240K 时的有关物理参数如下：液体密度 l ρ=681.4kg/m3液体黏度 l μ=273×810- N ·s/m 2 液体导热系数 l k =0.615W/(m ·K) 液体的表面张力系数 σ=33.9×310-N/m 蒸汽密度 ρ=0.8972 kg/m 3蒸汽黏度 v μ=9.16×610-N ·s/m 2 汽化潜热 fg h =1369×310J/kg 有效毛细半径 r c =1/(2N)=6.4510-⨯m 最大毛细压力 m ax ,c P ==cr σ2 1.06310⨯N/m 2 垂直方向上的液体静压力 v l gd ρcos φ=14.69N/m 2 轴向的液体静压力 gl l ρsin φ= 0液体流道的平均半径 m r =()2/δ+v d =1.25310-⨯ 吸液芯的横截面积 w A =()4/22v i d d -π=7.22710-⨯m 2 吸液芯弯卷系数 S=1.05 (经验数据) 吸液芯的空隙率 ε=1-πSNd/4=0.594吸液芯的渗透率 K= ()2221122εε-d =4.071110-⨯m 2液体的摩擦系数 l F ==fgl w l h KA ρμ99.6 （N/m 2）/（W ·m ）蒸汽腔的横截面积 v A =4/2v d π=3.8310-⨯m 2 蒸汽腔的水力半径 hv r ==2/v d 1.1310-⨯m 阻力系数 v v f Re =16 蒸汽的摩擦系数 F v =()fgv hv v vv v h r A f ρμ22Re =1.57 210-⨯ （N/m 2）/（W ·m ）将以上数据带入计算公式中，有()effv l l v l c l F F gl gd rQ +±-=φρφρσsin cos 2=()15.01057.16.9969.1410602⨯⨯+--=69.97W毛细极限的规律总结如下：三、沸腾极限解: 3NH 在240K 时的有关物理参数如下： 蒸发段长度 e l =0.15mm 吸液芯的有效导热系数 e λ=2.58 W/(m ·℃) 氨的表面张力系数 σ=33.9×310-N/m 蒸汽密度 ρ=0.8972 kg/m 3 汽化潜热 fg h =1369×310J/kg 管子内径 i d =2.4×310-m 蒸汽腔直径 v d =2.2×310-m 汽包临界生成半径 b r =2.54×710-m将以上数据带入计算公式中，有 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=b v i v fg veff e b r r r h T l Q σρλπ2ln 2max , =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯--7331054.2109.3322.24.2ln 8972.010*********.215.014.32 =1456.83 W沸腾极限的规律总结如下：四、粘性极限解:3NH 在240K 时的有关物理参数如下：蒸汽密度 ρ=0.8972 kg/m 3 饱和蒸汽压 v P =0.10226×610Pa 汽化潜热 fg h =1369×310J/kg 蒸汽黏度 v μ=9.16×610-N ·s/m 2 蒸汽腔直径 v d =2.2310-⨯mm 将以上数据带入计算公式中，有vovo vo effv fg v vi A p l h d Q ρμ642max ,=2366323)102.2(41010226.08972.015.01016.964101369)102.2(---⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=π =26265.89W粘性极限的规律总结如下：五、携带极限解：3NH 在240K 时的有关物理参数如下：汽化潜热 fg h =1369×310J/kg 蒸汽密度 ρ=0.8972 kg/m 3 蒸气流道的的横截面积 v A =3.8×610-m 2 表面张力系数 σ=33.9×310-N/m 丝网数目 N=7.87310⨯m -1 丝网直径 d =6.25×510-m 吸液心表面水力半径 hs r =510225.3221-⨯=-dN m 将以上数据带入计算公式中，有21max,2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=hs v fg v e rh A Q σρ=3.8×610-×1369×310×215310225.32109.338972.0⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯--=112.96W携带极限的规律总结如下：五种传热极限的规律总结如下：说明： 声速极限的实际数值应为图中相应数值乘以一百，单位为瓦；沸腾极限的实际数值应为图中相应数值乘以十，单位为瓦。
热管的基本原理和结构课件
2 热管的基本原理和结构
图1 热管结构示意图
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，常用的分类方法有一下几种。
（1）按照热管内工作温度区分
低温热管（-273～0℃）、常温热管（0～250℃）、中温热管（250～450℃）和高
外表面的化学清洗，一般由专业清洗公司进行。 B、干冰清洗。干冰即固体二氧化碳，喷射清除表面灰垢，此方法费用较高，
且存在死角。 C、人工清灰
5.1.2.1合理选择热管管外翅片结构
气相换热的热管换热器，管外都采用加肋强化传热，翅片形式多选用穿
片或螺旋型缠绕片，这些翅片的结果紧凑，肋化比高，效果明显，但缺点是极
变截面换热设备能保证其进出口具有相同的自清灰能力，一般认为换热
设备内实际流体流速达到8m/s便可起到自清灰的作用，设计时可取8～12m/s，
对于可能引起严重磨损的部位流体流速可取6～8m/s，以免引起管子快速磨
损而损坏穿孔。
5.2 热管的露点腐蚀及对策
当热管换热器在低温烟气中使用，换热器热管常常会遇到低温露
5 热管应用过程中存在的几个关键的技术问题
在热管技术蓬勃发展的今天，在工业应用中仍然存在一些问题， 这些问题得不到很好的解决，将极大的限制热管技术的使用和深入发 展。因此，有必要对这些问题去研究、去探索，以求找到合理的解决 办法。 5.1热管的积灰问题及对策
在热管余热回收设备中，热管积灰是普遍存在的问题，积灰增加 了受热面热阻，降低设备的传热能力。积灰还可以减少流体的通道面 积，增加流动阻力，降低换热表面温度，造成低温露点腐蚀。不少余 热回收设备由于积灰严重不能正常运行，甚至被迫停用，因此积灰已 成为了节能设备是否能够正常运行的一个主要问题，应给予高度重视。
平板微热管阵列垂直传热的数值分析
平板微热管阵列垂直传热的数值分析王宏燕;赵耀华【摘要】The paper is focused on the working mechanism of micro-heat pipe arrays (MHPAs), which are new efficient phase transition components. The three-dimensional partition-minuteness model is made to analyze the flow and heat transfer in the MHPAs by using the theory of two-phase closed thermosyphon and the theory of condensation on vertical walls with micro-channels. The surface tension is considered in the model. Through partitioning the condensate on the surface of microchannels, the flow and heat transfer are analyzed, giving the thickness of condensate, temperature distribution and mass flux. The Matlab programs based on the three-dimensional partition-minuteness model are used. The calculation results agree with the experimental results. The error is within 5%. The formulas for the saturation temperature in the condensation part of the MHPA are obtained from the calculated results.%对新型高效传热元件平板微热管阵列（MHPA）的工作机理进行了理论研究。
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微热管及其传热理论分析摘要：随着微电子制造技术的快速发展，微热管在航天器热控系统、微电子元器件散热等领域中有着广泛的应用。
微热管是利用密封在管内工质相变进行热量传输的器件，具有体积小、重量轻、传热效率高、成本低、易于集成、无需外加动力等显著优点，能有效解决目前微小型器件和芯片的散热问题，具有广泛的应用前景。
作者综述了微热管的发展与当前研究现状，详细介绍了微热管的工作原理，并指出微热管与常规微热管的区别，对槽道式平板微热管进行理论分析，最后展望了该领域的未来研究方向。
关键词：微热管，工作原理，平板微热管，引言随着电子科技技术的进步，许多电子产品向着高性能化、高功率化和小型化方向发展，同时产品的高集成度使其散热空间更为狭小，导致了电子元器件单位面积的热量急剧上升，如高性能微处理器的热流密度已达到100W/cm2[1]。
元器件的温度每升高10℃，系统的可靠性降低50％[2]，所以必须采用高效的传热技术对电子元器件进行散热。
微热管是一种利用相变传热的高效传热元件，其导热能力大大超越了铜、铝材料的空气强制对流散热方案[3-4]，因此，具有高导热率、良好的等温性，以及结构简单等优点[1,5]的微热管成为微电子散热领域的关键元件，并广泛应用于各种电子产品。
其中平板微热管由于其良好的蒸发吸热特性和形状易于与芯片贴合等优点被越来越多地应用于高效散热中。
而微热管或热管内微结构具有强化传热传质的作用，引起研究者越来越多的关注。
1. 微热管的发展与国内外研究现状微热管是利用密封在管内工质相变进行热量传输的器件，具有体积小、重量轻、传热效率高、成本低、易于集成、无需外加动力等显著优点，能有效解决目前微小型器件和芯片的散热问题，具有广泛的应用前景。
1944 年Gaugler第一次提出了热管的工作原理；1963 年美国《应用物理》杂志报道了世界上的第一根热管；1984 年Cotter等人提出了热管微型化的设想，为微热管的研究开辟了道路；1984年，T.P.Cotter 在第五届国际热管会议上首次提出了微热管的概念，并指出微热管在用于电子芯片冷却散热领域具有广阔的应用前景。
关于微热管的研究，最初集中于几个厘米长，工质通道横截面为带有尖角区域的图形，通道的水力半径在10μm~100μm 的单根微热管。
工质回流主要靠的是横截面尖角区域所形成的毛细力。
这种单根微热管主要应用在传输热量不是很大，但要求温度分布均匀稳定的领域。
随后微热管的研究分别从实验研究和理论研究两方面逐步展开，研究结果均体现出这一传热元件相比其它传热手段具有效率高而无需外加动力的优点。
而关于微热管结构的研究也从单根微热管逐步发展到微热管阵列，即在固体基板上开出一簇簇微型槽道，这样的方式大大提高了微热管的传热能力，但这只是单根微热管的一种简单的并列组合。
进一步的改进是具有连通蒸汽腔的平板微热管。
平板微热管通过连通蒸汽腔降低了气液界面高速对流产生的界面摩擦力，使热管的传热能力进一步提高，从而成为目前微热管领域的研究热点。
2. 微热管工作原理图l所示为微热管工作原理示意图。
根据微热管内部蒸汽流动情况，沿其轴向可分为蒸发段、绝热段和冷凝段。
从结构上分析，微热管包括管壳、毛细吸液芯和工作介质(液流)。
为降低热阻和工作介质沸点，提高微热管工作效率，管壳内部需保持一定的真空度。
在微热管工作时，工作介质在蒸发段吸收热源热量发生相变，蒸汽流经过绝热段到达冷凝段释放热量并凝结为液体，冷凝液流在毛细吸液芯的毛细作用下回流到蒸发段，如此循环下去，微热管不断将热量从热源带走。
热量由一端传向另一端，在整个热量传递的过程中主要包含以下六个相互关联的过程：（1）热量从热源通过管壁和充满工作液体的管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管芯、液体和管壁传给冷源；（6）冷凝后的工作介质液体在管芯内毛细力作用下回到蒸发段。
3. 微热管与常规热管的区别微热管的结构及工作原理与常规热管类似，最大的区别是常规热管内部通常存在专门提供毛细力以供工质回流的毛细吸液芯；而微热管则主要是通过沟道尖角区完成工质的回流[6]。
微热管稳态工作时，微热管蒸发段受到外界加热，热量通过热管管壁及液态工质传递到汽液分界面，使工作液体在蒸发段内的汽液分界面上蒸发。
由于液体蒸发，蒸汽腔内产生压差，而蒸汽正是在这压差的作用下由蒸发段流向冷凝段并在冷凝段内的汽液分界面上凝结，释放出热量。
热量通过液态工质和管壁传给冷源，最后由于热管内腔尖角区域的毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段[7]。
图2给出了常见的微热管沟道截面结构。
如前所述，微热管与常规热管最大的差别在于微热管依靠沟道尖角区提供毛细力，理论分析发现只要是非圆形的截面都能提供或大或小的毛细力。
微热管发展之初，常用的沟道结构主要是简单的三角形和矩形结构，如2图中(a)、(b)、(c)所示。
随着机械加工和其他各种加工技术的发展，一些比较不规则的结构也进入研究之列，如图2-2 中(d)、(e)、(f)所示。
在实际应用中采用哪种沟道结构主要由应用场合、热管材料、加工方法等共同决定。
4. 微热管的传热极限微平板热管通过相变换热的工作机理使其具有很强的传热能力，但也不能无限制的增大其热载荷，热管工作过程中也受到很多因素影响存在一定的传热极限。
传热极限的大小是由热管的内部流道结构、外部形状特征、管壳材料、加工方法、工质特性、工作温度等共同决定的。
而多种影响因素分别产生的传热极限中最小值即决定了微热管的最大传热能力[8]。
通过国内外大量研究发现目前对微热管性能影响最大的几种常见传热极限为：工质回流极限、工质沸腾极限、气体冷凝极限、对流携带极限、蒸汽压力极限等。
现对其逐一介绍：（1）工质回流极限随着热管蒸发段热载荷的不断增加，液体由冷凝段流向蒸发段的速度不能无限制增大，会受到毛细结构产生的驱动力的限制，为此称其为工质回流极限。
此时当热量超过此极限值，由毛细力作用回流的冷凝工质便满足不了蒸发段的需求，结果会在热管蒸发段发生干涸现象，蒸发段温度急剧升高，严重时就会出现烧损等情况。
微热管与常规热管相似，工质回流极限依然是影响其传热能力的主要问题，而且对于微热管而言，靠沟道尖角区域回流工质时更容易产生工质回流不足的现象，因此工质回流极限对微热管的影响更为突出。
（2）工质沸腾极限随着热管蒸发段热量的增加，蒸发段径向热流密度或热管内壁液体温度过高，会在与管壁接触液体的核化中心产生沸腾气泡，而热管的吸液芯结构会阻碍气泡脱离吸液芯结构，因此气泡停留在液态工质回流的路径上会阻碍工质的回流。
若产生气泡较多时，会在工质和管壁之间形成蒸汽层，使气体和管壁之间的热阻迅速增大，也会导致管壁温度快速增高，造成蒸发段干涸或者热管烧损的现象。
通过研究发生工质沸腾极限时气体的临界热流和临界过热度可以发现微热管的工质沸腾极限由热管工作条件和沸腾气泡产生的临界半径共同决定。
（3）气体冷凝极限微热管冷凝段的冷却能力可能会受到两种情况的限制：一种是充液量过大，微热管的实际工况与最佳工况有偏差，过量的工质在微热管冷凝段堆积，使换热面积变小，从而使微热管的性能降低或工作失效；另一种是不凝气体的存在，影响了冷凝段的冷凝效率。
（4）对流携带极限随着微热管热载荷的不断增大，工质流道中的液态和气态工质的流速都会不断增大，会在气液交界面上产生对热管影响较大对流剪切力。
当这个剪切力增大到一定程度时，气流会将部分液态工质卷入气流中，从而减少了液态工质回流到蒸发段的量。
这种现象发生时会大大降低热管的传热能力，使其过早达到传热极限。
（5）蒸汽压力极限又称之为粘滞极限，当热管的工作温度较低时，内部气态工质较为稀薄，会出现分子不连续现象，而由于管壁与气体分子的粘滞力作用会使气态工质在冷凝段末端出现压降变小的状况，使其内部整蒸汽的运动受到限制，导致热管的传热能力受到一定的影响。
5. 槽道式平板微热管理论分析本节将以微槽道平板微热管为例，如图3所示，利用一维稳态模型，对影响其性能的几个结构性问题做定量分析，指出其性能可进一步提高的潜在范围，并提出通过结构改进的方案和意义。
5.1 微槽道平板微热管的一维稳态模型一维稳态模型是目前最为常用的用于预测平板微热管传热能力、分析其内部工作过程的一种理论分析方法，其计算结果能准确反应微热管的工作状态平板微热管的一维稳态模型通常利用有限容积法建立，即将所研究对象。
通过某种方法划分为若干个有限容积单元，在每个有限容积单元内选取控制节点；再分别对每个有限容积单元列出守恒方程，并对其进行离散化处理，得出离散化方程组；最后通过数值方法将其求解。
5.2 模型的假设条件平板微热管工作时内部发生复杂的流动、相变、传热过程，一维稳态模型只能将其物理过程简化处理。
因此，参照国内外相关理论研究，在保证模型计算精度的前提下，为使模型简化需做出如下假设：（1）热管工作在稳定的条件下，不考虑微热管的瞬态和不稳定状态，因为只有在热管处于稳态时，后文的质量守恒方程才是准确有意义的；（2）气体和液体工质的密度为恒定值，均为不可压缩流体，因为在对流体建立动量守恒方程时要求流体不可压缩，只有这样动量守恒方程才准确有意义；（3）液态工质达到稳定工作状态时其液体表面弯月面半径仅沿轴向变化，因为是一维模型，无法考虑其在其它方向的变化；（4）同理工质的物理参量也只能沿轴向发生变化，例如压强、流速等均取其在流体横街面上的平均值。
5.2.1模型的控制方程在建立控制方程之前对微热管进行有限元划分，如图4所示为微热管内部某槽道的剖面图，其近似给出了液体与气体稳态工作时的分布图，沿热管轴向将划分为若干个长度为dz的有限元体积，图4中也给出了单个有限元体积的示意图，下文中将对单个有限元体积建立相应的控制方程。
（1）质量守恒方程对于有限容积单元dz，在其处于稳定状态时满足质量恒定，即单位时间内流入有限容积单元dz和流出dz的质量是相等的，如图5所示。
因为热管工作在稳定状态，且对于任意一个有限容积单元都应处在稳定状态所以每一个有限容积单元内都应满足质量守恒定律，即单元内工质质量为恒定值，且随着时间的变化该恒定值是不变的。
因此对于某一有限容积单元流入质量与流出质量的差值为发生相变的质量。
相变的质量可以由m = Q×fgh 得出，其中Q为吸收或放出的热量，fgh 为汽化潜热，m为相变液态工质的质量。
当微热管槽道数为N 时，则Q=N×m×fgh，那么单根槽道内发生相变的液态工质质量是：（2）动量守恒方程本文仍以液态工质流动为主要研究对象。
在此前我们已经阐述了微槽道内液相工质流动的工作原理：由于蒸发段与冷凝段毛细半径值的不同所产生的毛细力的作用，使得微槽道内的液体会从冷凝段流回蒸发段，微槽道所提供的毛细力的大小与这两个毛细半径之间的差值是成正比关系。