熱管原理

熱管技術是1963年美國 LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與製冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛套用在航天、軍工等行業，自從被引入散熱器製造行業，人們改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，採用熱管技術使得散熱器即便採用低轉速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決。

基本介紹

• 中文名：熱管原理
• 發明時間：1963年
• 發明地點：美國 LosAlamos國家實驗室
• 發明人：G.M.Grover

熱管簡介

從熱力學的角度看，為什麼熱管會擁有如此良好的導熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象。從熱傳遞的三種方式：輻射、對流、傳導，其中熱輻射最快。熱管就是利用蒸發製冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體，這種液體沸點低，容易揮發。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一段為蒸發端，另外一段為冷凝端，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，並且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。

熱管散熱原理

熱管，是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量，它利用毛細作用等流體原理，起到類似冰櫃壓縮機製冷的效果。具有很高的導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向酌可逆性、可遠距離傳熱、恆溫特性(可控熱管)、熱二極體與熱開關性能等一系列優點，並且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。由於其特殊的傳熱特性，因而可控制管壁溫度，避免露點腐蝕。但價格相對較高。

基本工作

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1·3×（10負1－10負4）Pa的負壓後充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體後加以密封。管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據套用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不己，熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實現這一熱量轉移的過程中，包含了以下六個相互關聯的主要過程：

（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到（液－汽）分界面；

（2）液體在蒸發段內的（液－汽）分界面上蒸發；

（3）蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段；

（4）蒸汽在冷凝段內的汽·液分界面上凝結：

（5）熱量從（汽－液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：

（6）在吸液芯內由於毛細作用使冷凝後的工作液體回流到蒸發段。

基本特性

熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。

（1）很高的導熱性熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量。當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學第二定律，並且熱管的傳熱能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸嚮導熱性很強，徑向並無太大的改善（徑向熱管除外）。

（2）優良的等溫性熱管內腔的蒸汽是處於飽和狀態，飽和蒸汽的壓力決定於飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小，根據熱力學中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優良的等溫性。

（3）熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。

（4）熱流方向酌可逆性一根水平放置的有芯熱管，由於其內部循環動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用於宇宙飛船和人造衛星在空間的溫度展平，也可用於先放熱後吸熱的化學反應器及其他裝置。

（5）熱二極體與熱開關性能熱管可做成熱二極體或熱開關，所謂熱二極體就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高於某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低於這一溫度時，熱管就不傳熱。

（6）恆溫特性（可控熱管）普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當加熱量變化時，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發展了另一種熱管—可變導熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現溫度的控制，這就是熱管的恆溫特性。

（7）環境的適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉軸、燃氣輪機的葉片、鑽頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應長距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用於地面（重力場），也可用於空間（無重力場）。

上圖表示了熱管管內汽-液交界面形狀，蒸氣質量流量，壓力以及管壁溫度Tw和管內蒸氣溫度Tv沿管長的變化趨勢.沿整個熱管長度，汽-液交界處的汽相與液相之間的靜壓差都與該處的局部毛細壓差相平衡。

△Pc，毛細壓頭—是熱管內部工作液體循環的推動力，用來克服蒸汽從蒸發段流向冷凝段的壓力降△Pv，冷凝液體從冷凝段流回蒸發段的壓力降△Pl和重力場對液體流動的壓力降△Pg（△Pg可以是正值，是負值或為零，視熱管在重力場中的位置而定）。

因此，△Pc≥△Pl+△Pv+△Pg是熱管正常工作的必要備件。

熱管分類

由於熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結構、材質和工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種。

溫度區分

按照熱管管內工作溫度區分，熱管可分為低溫熱管（-273 － 0℃）、常溫熱管（0－250℃）、中溫熱管（250－450℃）、高溫熱管（450－1000℃）等。

回流動力區分

按照工作液體回流動力區分，熱管可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。

組合方式劃分

按管殼與工作液體的組合方式劃分，（這是一種習慣的劃分方法）可分為銅—水熱管、碳鋼—水熱管、銅鋼複合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼·榮熱管、不鏽鋼·鈉熱管等等。

結構形式區分

按結構形式區分，可分為普通熱管、分離式熱管、毛細泵迴路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。

功用劃分

按熱管的功用劃分，可分為傳輸熱量的熱管、熱二極體、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、製冷熱管等等。

性能壽命

熱管的相容性是指熱管在預期的設計壽命內，管內工作液體同殼體不發生顯著的化學反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的套用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業套用的可能性。碳鋼－水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼—水熱管這種高性能、長壽命、低成本的熱管得以在工業中大規模推廣使用。

影響熱管壽命的因素很多，歸結起來，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：產生不凝性氣體：工作液體熱物性惡化：管殼材料的腐蝕、溶解。

（1）產生不凝性氣體由於工作液體與管完材料發生化學反應或電化學反應，產生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到沖凝段聚集起來形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化，傳熱能力降低甚至失效。

（2）工作液體物性惡化有機工作介質在一定溫度下，會逐漸發生分解，這主要是由於有機工作液體的性質不穩定，或與殼體材料發生化學反應，使工作介質改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機工作液體易發生該類不相容現象。

（3）管殼材料的腐蝕、溶解、工作液體在管殼內連續流動，同時存在著溫差、雜質等因素，使管殼材料發生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當管殼被腐蝕後，引起強度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現象常發生在鹼金屬高溫熱管中。

熱管制造

熱管的主要零部件為管殼、端蓋（封頭）、吸液芯、腰板（連線密封件）四部分。不同類型的熱管對這些零部件有不同的要求。

管殼

熱管的管殼大多為金屬無縫鋼管，根據不同需要可以採用不同材料，如銅、鋁、碳鋼、不鏽鋼、合金鋼等。管子可以是標準圓形，也可以是異型的，如橢圓形、正方形、矩形、扁平形、波紋管等。管徑可以從2mm到200mm，甚至更大。長度可以從幾毫米到100米以上。低溫熱管換熱器的管材在國外大多採用銅、鋁作為原料。採用有色金屬作管材主要是為了滿足與工作液體相容性的要求。

端蓋

熱管的端蓋具有多種結構形式，它與熱管舶連線方式也因結構形式而異。端蓋外圓尺寸可稍小於管殼。配合後，管殼的突出部分可作為氬弧焊的熔焊部分，不必再填焊條，焊口光滑乎整質量容易保證。

旋壓封頭是國內外常採用的一種形式，旋壓封頭是在旋壓機上直接旋壓而成，這種端蓋形式外型美觀，強度好、省材省工，是一種良好的端蓋形式。

吸液芯結構

吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結構形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。隨著熱管技術的發展，各國研究者在吸液芯結構和理論研究方面做了大量工作，下面對一些典型的結構作出簡略的介紹。

1.管芯型式

一個性能優良的管芯應具有：

（1）足夠大的毛細抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑

（2）較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率

（3）良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻。

（4）良好的工藝重複性及可靠性，製造簡單，價格便宜。

管芯的構造型式大致可分為以下幾類：

（1）緊貼管壁的單層及多層網芯此類管芯

多層網的網層之間應儘量緊貼，網與管壁之間亦應貼合良好，網層數有1至4層或更多，各層網的目數可相同或不同。若網層多，則液體流通截面大，阻力小，但徑向熱阻大；用細網時毛細抽吸力大但流動阻力亦增加。如在近壁數層用粗孔網，表面一層用細孔網，這樣可由表面細孔網提供較大的毛細抽吸壓力，通道內的粗孔網使流動阻力較小，但並不能改善徑向熱阻大的缺點。網芯式結構的管芯可得到較高的毛細力和較高的毛細提升高度，但因滲透率較低，液體回流阻力較大，熱管的軸向傳熱能力受到限制。此外，其徑向熱阻較大，工藝重複性差又不能適應管道彎曲的情況，故在細長熱管中逐漸由其它管芯取代。

（2）燒結粉末管芯由一定目數的金屬粉末燒結在管內壁面而形成與管壁一體的燒結粉末管芯，也有用金屬絲網燒結在管內壁面上的管芯。此種管芯有較高的毛細抽吸力，並較大地改善了徑向熱阻，克服了網芯工藝重複性差的缺點，但因其滲透率較差，故軸向傳熱能力仍較軸向槽道管芯及幹道式管芯的小。

（3）軸向槽道式管芯在管殼內壁開軸向細槽以提供毛細壓頭及液體回流通道，槽的截面形狀可為矩形，梯形，圓形及變截面槽道，槽道式管芯雖然毛細壓頭較小，但液體流動阻力甚小，因此可達到較高的軸向傳熱能力，徑向熱阻較小，工藝重複性良好，可獲得精確幼兒何參數，因而可較正確地計算毛細限，此種管子彎曲後性能基本不變，但由於其抗重力工作能力極差，不適於傾斜（熱端在上）工作對於空間的零重力條件則是非常適用的，因此廣泛用於空間飛行器。

（4）組合管芯一般管芯往往不能同時兼顧毛細抽吸力及滲透率，為了有高的毛細抽吸力，就要選用更細的網成金屬粉末，但它們的滲透率較差。組合多層網雖然在這方面有所提高，可是其徑向熱阻大。組合管芯躍能兼顧毛細力和滲透率，從而能獲得高的軸向傳熱能力，而且大多數管芯的徑向熱阻甚小。它基本上把管芯分成兩部分，一部分起毛細抽吸作用，另一部分起液體回流通道作用。

製造工藝

吸液芯型熱管

如前所述，構成熱管的三個主要組成部分是管殼、管芯和工質。在設計過程中，對管殼和管芯的材料進行合理的選擇後就可以開始製作。通常熱管的製造過程包括下面的工藝操作，並按一定的程式進行。

1、機械加工

2、清洗

3、管芯製作

4、清洗

5、焊接

6、檢漏

7、除氣

8、檢漏

9、充裝

10、封接

11、烘烤

12、檢驗

實際製造的時候往往能達到20，甚至上百道的工序。這裡只是最簡單的一些必須工序。

重力熱管

節能（如定型機餘熱回收）領域的熱管換熱器，常用熱管多為重力熱管。重力熱管主要由管殼、端蓋、工質三部分組成，其通常製作工藝如下：

1、機械加工（管殼、端蓋，或者直接採購）

2、前處理（管殼、端蓋除油除銹）

3、烘乾

4、端蓋焊接（氬弧焊，焊口打磨）

5、充裝工質

6、排空氣（烘烤）

7、封頭焊接（氬弧焊）

8、檢驗

關鍵工序為：6、排空氣 7、封頭焊接