热管技术的应用与现状

热管技术的应用与现状

傅涛，周涛，张记刚，张明

华北电力大学核科学与工程学院，北京（102206）

E-mail ：ft198@

摘 要: 本文介绍了目前热管技术的应用现状,主要论述了热管的结构、工作原理、特点和种类,同时讨论了其应用情况和我国热管目前存在的问题。由于热管具有传热系数高、优良的等温性能、环境适应力强、结构简单和运行维修费用低等优点,因此其在各个领域应用极其广泛,在降低了企业的能耗同时,也保护了环境,取得了良好的经济效益和社会效益。 关键词: 热管；应用；现状

中图分类号：TB4

1. 引言

1963年，George M. Grover 第一个发明并且制造出了热管。不过，通用汽车早在1935年就申请了类似元件的专利。直到20世纪60年代，热管才受到人们的重视。逐渐的，作为一种提高传热效率的元件，热管受到了众多国家实验室和商业实验室的重视，而不再仅仅是实验室的试验品。令人吃惊的是，第一个将热管作为传热元件而加以接受和运用的主要客户竟然是政府。因为，热管的第一个商业用途是用于卫星上的系统。由于热管较高的成本和较小的需求，使得热管进入商业领域的进程非常缓慢。在当时，大部分的电子元件散热问题，用简单的金属散热块就可以解决。高端的军用设备是个例外，因为这样的设备需要热管的高性能，而且可以承受较高的成本。20世纪80年代，作为高端电子产品的散热设备，热管逐渐被市场所接受。随着热管的普及，增长的需求降低了热管的制造成本。降低后的成本使得散热设计者们可以将热管应用于更多的产品。在20世纪90年代初，热管开始被用于大量的家用电器。今天，热管已经被运用于数千种电器产品之中[1]-[4]。

2. 热管简介

2.1 热管结构

热管通常是一个封闭的高真空金属管,管内有一定数量的蒸汽工质,管内壁覆盖有多孔材料构成的管芯(毛细吸液芯) 其中吸满液态工质,管芯的作用是回送冷凝液,管外壁根据传热需要可设置不同形式的翅片，常用的热管管壳截面为圆形。重力热管内部没有毛细吸液芯,但必须将冷凝段置于蒸发段的上部,冷凝工质靠重力流回蒸发段。热管沿轴向可分为蒸发段、绝热段、和冷凝段三部分[5]-[6]。

2.2 热管工作原理

热管的基本工作原理如图1所示。管内为0.13～1.3 ×10-3Pa 的负压，液态工质吸热后很容易汽化成蒸汽。当蒸发段受热时,管芯中的工作介质液体蒸发汽化,蒸发段蒸汽压力为1p , 冷凝段蒸汽压力为2p , 在压差Δv p 的作用下蒸发段流到冷凝段,并在那里凝结下来,放出汽化潜热,通过管壁传出热量。冷凝液体再沿管芯多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已,热量从热管的一端传至另一端[7]-[9]。

图1 热管工作原理示意图

热管在实现这一热量转移的过程中,包含了以下6 个相互关联的主要过程[10]-[11]:

(1) 热量从热源通过热管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由于毛细作用回到蒸发段。

在热管的正常工作状态下,冷凝液的回流是依靠管芯多孔材料的毛细力来完成,称为毛细压头Δc p ,是热管内部工作介质液体循环的推动力,用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降Δv p 。冷凝液从冷凝段流回蒸发段的压力降Δ1p 和重力场对液体流动引起的压力防Δg p (Δg p 可以是正值、负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。因此热管正常工作的必要条件是[12]-[14]:

≥Δpc g V p p p Δ±Δ+Δ1

如果把绝热段很好地与外界隔热,同时忽略管壁的影响,即蒸汽从蒸发段得到的热量将全部传给冷凝段,传热量为Q 。

λv Q m =

式中 Q ———传热量

v m ———蒸汽的质量流量

λ———工作介质的汽化潜热

由于同种物质的潜热远远大于显热,如水,饱和温度T = 100 ℃时,汽化潜热λ= 2 251. 5 kJ /kg ,而比热容p C = 4. 216 kJ / (kg·K) ，p C >>λ，所以热管为高效传热元件。

2.3 热管特点

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[15]-[16]：

(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)优良的等温性。热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，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。

(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。

(4)热流方向的可逆性。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器及其他装置。

(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。

(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，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——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。

(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)。

（8) 热管的结构简单、重量轻、体积小、维修方便。

2.4 热管种类

由于热管的用途、种类和型式较多，再中上热管在结构、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[17]-[19]:

1.按照热管管内的工作温度区分，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℃～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）、策略辅助热管、旋转热管、电流体动热热管、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、热开关管、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。

3. 热管的应用

由于热管技术的优点,使其在各个领域不断扩大使用范围,这里浅谈在实践中[20]-[21]。

3.1 采暖领域

环保型、铝合金热管电暖器,其特点是“超快热、能节电、价格低、外观美”,5min 达到50℃