低温热管的最新研究进展

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图５氧柔性热管传热分布圈【７ Ｊ 图６（ａ）是环形低温热管的外观图形，图７ （ｂ）是在蒸发段内的蒸汽泡。为了使汽泡推动前面 的液体，热管的内径必须和汽泡的直径保持在同一 个数量级。同时由于蒸汽泡的直径很难精确计算， 只能通过计算工质的拉普拉斯常数来确定汽泡的直 径。为了产生一个连续推动力，热管蒸发段的直径 必须稍微大于汽泡直径。这是因为在汽泡和热管之 间会形成非常薄的液层，通过蒸发在蒸发段和冷凝 段之间形成压差，以获得希望的稳定推动力。 该文献首次研究表明环形低温热管可以工作在 液氮温区以下，特别是系统实验了使用氮、氖、氢 和氦作为环形低温热管的工质，分别工作在７８ Ｋ、 ２８ Ｋ、１５ Ｋ和４ Ｋ温区。同时指出了在相同的传 热条件下，环形低温热管的传热能力至少是相同尺 寸铜棒传热能力的１０倍以上。文中的一系列实验 说明在低温热管的管径和工质的拉普拉斯常数之间 有密切的关系，环形低温热管的管径一般都是工质 拉普拉斯常数的１．５～２倍。另外工质在汽化时的
对于无毛细芯的重力辅助热管产生携带极限时 的准则关系式：
Ｑ。．一＝ｃｌＡ，ｒ［ＩＤｌ一１／４＋１０，一１／４］～２［∥（１Ｄｌ—ＩＤ，）］一１／４ （４）
对于有毛细芯的重力辅助热管产生携带极限肘 的准则关系式：
Ｑ。，一＝ｃｌ（等）Ａ。ｒ［旷…＋Ｐ。叫／４］－２［∥（Ｐｌ—Ｐ。）］＿１／４
（５） 对于无重力影响的有毛细芯热管产生携带极限 时的准则关系式：
考。
影响低温热管的工作极限主要有：毛细力限、
声速限、携带限、沸腾限和干涸限等。事实上，并
不是每一种工作极限都会在热管工作中出现，对于
特定型式的低温热管通常只有其中某一种传热极限
占主导地位。
带有毛细芯的无重力辅助低温热管利用液体低
温工质对毛细芯浸润产生的毛细力作为热管的驱动
力，使液态低温工质从热管的冷凝段回到蒸发段。
万方数据
第１期
李炜征，等：低温热管的最新研究进展
３
限。所以干涸极限和沸腾极限都是对于径向传热的
Ｑ如一２翻Ｇ３（詈Ｌｃ＋Ｌａ＋詈Ｌ 限制，因此不会同时出现。根据参考文献［４］： ｅ）。３
（８）
域之间有明显温差。
３低温热管的最新进展
３．１低温热虹吸管 由于低温热管最初主要用于空间飞行器的温度
控制，因此以往大多数的研究都是针对无重力影响 的低温热管。随着低温超导技术的发展，重力辅助 低温热管的研究成为了一个新的热点。在地面应用 时，低温热管可以利用重力运行，大大加强了冷凝 液体返回蒸发段的抽吸力，从而提高了传热能力， 而且液体有了较高的压头。因此，重力辅助热管通 常采用简单的管芯结构，甚至完全不用管芯，使结 构简单，传热能力提高。传热量增加意味着工质循 环速度的加快，也就相应地要求增加热管的工质充 装量。因此，重力热管中的工质数量一般也比较 多。在实验中要测定的性能主要有最大传热能力随 工作温度、倾斜角度、充装量的变化情况，从而得 出最佳的充装量和倾斜角。对于有管芯的重力热管 还要测定管芯网格大小以及层数的影响。对重力热 管最大传热能力的影响因素主要有：倾角口、热管 充注量ｍ、运行温度１、。最大热流密度ｑ。，随网芯 层数的增加而减少，当层数相同时则随着网的目 数、管径、冷凝段长度、蒸发段长度的增加而增 加。
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的距离，则铜棒的直径至少为３７㈣；若距离为 １０ ｍ，则铜棒的直径至少为１１３ ｍ。因此．人们
需要寻找一种在相同传热条件下能够传递更多热量 的传热方式，而低温热管就提供了这样的可能性。
众所周知，热管作为一种高性能的传热方法已 经在中、高温区获得了广泛应用。由于低温热管中 的工质在常温下处于超临界状态，工艺要求高，长 期以来主要应用于航天领域。我国从２０世纪７０年
第２２卷第ｌ期 ２００４年２月
低温与特气 Ｌ。ｗ Ｔ廿”ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｇａｓ巷
Ｖ０１．２２，Ｎｏ ｌ Ｆｅｂ．２００４
低温热管的最新研究进展
李炜征，邱利民，粟鹏
（浙江大学制冷与低温研究所，浙江杭州３１００２７）
摘要：作为一种高效传热方式，低温热管可望在空间探索、超导磁体冷却等方面获得广泛应用。简要介绍了低温热
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对于没有毛细芯的重力辅助热管或者是没有网 芯覆盖的槽道热管，由于沸腾产生的汽泡能够很快 溢出，加强换热反而是有利的。对于这类热管即使 热流量增大也不会出现沸腾极限。但是当处于大热 流量的情况下，这些汽泡可能形成汽膜，导致壁面 温度突然升高，这时就达到了这种热管的沸腾极 限。。如果热管的充注量较少，蒸发段底部没有形成 液池，在还没有达到沸腾极限时，在冷凝液回流到 蒸发段底部之前就已经蒸干，达到ｒ热管的于涸极
２低温热管的特性分析
目前低温热管主要分为４类：低温热虹吸管 （ｔｈｅｍｌｏｓｙｐｈｏｎ）、带网芯的低温热管（ｗｉｃｋ＿ｂａｓｅｄ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ）、低温柔性热管（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｎｅｘｉｂｌｅ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ）、低温环形热管（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｌ∞ｐ ｈｅａｔ ｐｉｐｅ）。
收稿日期：２００３．１２．１５
当整个气体液体循环压力降与最大毛细压头达到平
衡即为毛细力传热极限，根据参考文献［３］其表
（ＱＱｃＬ’）。一，＝一丽＝‰Ｌ｛≠ 达式为：
挈一△Ｐ。一ＰｌｇＬＳｉｎ①
（２）
达到这个状态后，只要稍许加大蒸发量或减少 冷凝量，蒸发段即发生干涸和过热。毛细极限往往 在工作温度区域出现，因此需要特别注意。
对于没有毛细芯的重力辅助热管（即热虹吸 管），由于液体自身的重力远远大于液体回流的阻 力，因此一般情况下不会出现毛细极限。如果降低 冷凝段温度，使蒸发段出口达到声速，进而达到壅 塞流的条件，继续降低冷凝段温度传热量不会增 加，蒸发段内温度也不变，在此条件下热管温度沿 轴向的变化很大，这就是所谓的声速传热极限。可
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图２就是Ａ Ｎａｋａｎｏ等所进行的大范围动态运 行两相热虹吸管的实验装置以及在（７０～１３０ Ｋ） 和（１００～１６０ Ｋ）两个温区的传热量。图２（ａ） 说明了热虹吸管的基本实验结构。首先用真空泵将 连接热管和氮气瓶的管路抽成高度真空，然后关闭 真空泵前面的阀门，打开氮气瓶使气体储槽和充气 管路保持一定的压力。然后关闭气体储槽和氮气瓶 之间的阀门。当Ｇ—Ｍ制冷机开始运行时通过充液 管上的压力表的变化可以知道有多少工质进入热 管。图２（ｂ）就是热管和Ｇ—Ｍ制冷机的连接方式 以及热电偶的布置情况。图３表明在不同的传热量 时，热管不同位置的温度是不同的。传热量增加， 热管两端传热温差也增加。而且随着热管位置的不 同，温度明显分为三个区域：蒸发段温度、绝热段 温度和冷凝段温度。各个区域内温度差别不大，区
代开始进行低温热管的理论和实验研究，在航天器 温度控制、电器和电子设备的冷却、等温炉、标准 黑体等方面取得了发展…。但从总体上看我国目 前在低温热管领域无论是理论研究还是试验研究都 还处于起步阶段。随着超导应用研究的深入以及低 温技术的不断成熟，低温热管已具备了广阔的发展 空间。本文主要介绍低温热管的各种传热极限对低 温热管工作性能的影响以及近几年来的国外最新发 展情况。
万方数据
２
低温与特气
第２２卷
图１ 不同温区热管的工质情况【２Ｊ
图１给出了不同温区热管的工质情况。由于低
温下工质的热物性和常温时有很大不同，如接触角
小、粘度小、导热系数小等，使得低温热管的工作
性能和中高温热管有一定差异。因此，以中高温热
管实验数据为依据的各种传热极限计算公式在低温
热管的设计计算中存在较大误差，仅能作为定性参
口 翻
重２低温热虹吸管实验结构【５１ 重力热管在工质足够多、放置角度又比较大 时，几乎不可能出现毛细限，可能之前已达到沸腾 极限或干涸极限。较多的工质，尤其对于无管芯的 光管来说，常常有一部分液体集聚在管的底部，对 于小倾角的情况有较厚的液膜会使热管的温差增 加。另外热流增加时蒸汽流速加快，厚的液膜使蒸 汽通道变窄，蒸汽对回流液体的剪切和携带作用也 加强了，达到一定程度就会使回流中断，达到携带 限。在较多工质的情况下工作，在冷凝段容易形成 阻塞液柱，这种液柱或者比较稳定地浮在一个位置 上，或者上下波动，但都能部分阻塞冷凝段，妨碍 热管工作。无管芯重力热管中还会出现淹没现象， 此类现象类似于携带现象，由于蒸汽携带液滴流向 冷凝段，可以听到液滴在冷凝段撞击管壁的声音， 此现象并不影响热管的正常运行，但是由于液滴在 冷凝段积聚使冷凝段的径向热胆增大，反映出冷凝 段外壁温度下降。当液体积聚到一定程度以后其重 力克服蒸汽流的剪切力而落下，冷凝段温度有波 动。
管的工作原理，着重分析了各种传热极限对低温热管性能的影响，总结了近几年低温热管研究与应用的最新发展
情况。
关键词：低温热管；柔性热管；热虹吸管；环形热管
中图分类号：ＴＢ６＋１
文献标识码：Ａ
文章编号：１ｃｈ Ａｎｄ ＤｅＶｅｌｏｐｍ锄ｔ ｏｆ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅｓ