熱管是一種新型的高效傳熱器件。具有導(dǎo)熱性能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、溫度均勻與等溫性等特點(diǎn)?？蓮V泛用于電子設(shè)備、高密度組裝器件、高功率密度元器件的傳熱和熱控制等。

一、熱管工作原理

圖1所示是一種典型的熱管原理圖，它是一個(gè)被抽成真空的容器（圓形管子或其他形狀）。熱管一般劃分為三部分：即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。在容器的內(nèi)壁上設(shè)有與內(nèi)壁形狀相一致的毛細(xì)管心，液相工質(zhì)充滿整個(gè)管心。當(dāng)工質(zhì)在蒸發(fā)段受熱后開(kāi)始蒸發(fā)，蒸汽帶著汽化潛熱被輸送到另一端冷凝，并放出汽化潛熱，然后靠毛細(xì)泵力的作用使冷凝液返回到蒸發(fā)段完成一個(gè)循環(huán)。利用這種方法，把熱能高效率地從一端傳至另一端。

圖1

熱管的工作原理：在熱管未工作前，工質(zhì)的液面與管心平齊。當(dāng)發(fā)熱元件與蒸發(fā)段接觸后，便將熱量傳給管壁、管心和工質(zhì)；工質(zhì)受熱后吸收汽化潛熱變?yōu)檎羝?，蒸發(fā)段的蒸汽壓力高于冷凝段，因此兩端形成壓力差，該壓差驅(qū)動(dòng)蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段。蒸汽在冷凝段冷凝時(shí)放出汽化潛熱，通過(guò)管心、管壁傳到熱管的散熱器。由于蒸發(fā)的原因，在蒸發(fā)段的工質(zhì)液面進(jìn)入管心的毛細(xì)孔內(nèi)形成彎月面，在這里形成毛細(xì)泵力，將冷凝液抽回到蒸發(fā)段，完成一個(gè)工作循環(huán)。只要工質(zhì)的流動(dòng)不中斷和保證足夠的毛細(xì)泵力，熱管可長(zhǎng)期地工作。

二、熱管的特性與分類(lèi)

1 熱管的特性

由于熱管是高效的傳熱器件，它具有以下一些特性。

（1）傳熱能力強(qiáng)由于熱管的傳熱主要依靠工作液（含液態(tài)金屬）的相變吸收和釋放大量的汽化潛熱和高速蒸汽流動(dòng)的傳熱。而用于熱管的多數(shù)工作液體（或液體金屬）的汽化潛熱都很大，故不需要很多的蒸汽量就能帶走大量的熱量。

（2）等溫性好熱管表面溫度分布取決于蒸汽的溫度分布、相變時(shí)的溫差以及管壁與毛細(xì)心溫差等。蒸汽處于飽和狀態(tài)時(shí)，蒸汽流動(dòng)和相變時(shí)的溫差很小，而管壁和毛細(xì)心均較薄，因此，熱管的表面溫度梯度很小，當(dāng)熱流密度很低時(shí)，可達(dá)到很高的等溫表面。熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)越大，其等溫性就越好。其當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可以是相同材料的幾十倍，甚至幾百倍。

（3）具有熱流密度可變換的能力由于熱管中蒸發(fā)和冷凝的空間是分開(kāi)的，因此可以實(shí)現(xiàn)熱流密度的變換，在蒸發(fā)段可用高熱流密度輸入，而在冷凝段可以用低熱流密度輸出，反之也可以。這種變換比例可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行控制。

（4）具有恒溫特性當(dāng)熱管內(nèi)充以一定比例的惰性氣體時(shí)，可以通過(guò)改變冷凝段的散熱面積來(lái)適應(yīng)傳熱量的變化，達(dá)到使蒸發(fā)段熱源溫度恒定在某一特定溫度的恒溫目的。

（5）具有熱二極管和熱開(kāi)關(guān)的特性

2 熱管的分類(lèi)

1）根據(jù)熱管的工作溫度范圍分類(lèi)

（1）深冷熱管工作溫度范圍為－170～－70℃的熱管稱(chēng)為深冷熱管，其工作介質(zhì)（工作液）可采用純化學(xué)元素物質(zhì)（如氦、氬、氮、氧等）或化合物（如氟利昂、乙烷等）。

（2）低溫?zé)峁芄ぷ鳒囟确秶鸀椋?0～270℃。其工作介質(zhì)可選用水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有機(jī)物。

（3）中溫?zé)峁芄ぷ鳒囟确秶鸀?70～470℃。其工作介質(zhì)可選用導(dǎo)熱姆（聯(lián)苯－苯醚共溶體）、水銀、銫或硫等。

（4）高溫?zé)峁芄ぷ鳒囟仍?00℃以上的熱管。其工作介質(zhì)可選用鈉、鉀、鋰、鉛、銀及其他高沸點(diǎn)的液態(tài)金屬。

2）根據(jù)熱管內(nèi)冷凝液的回流方式分類(lèi)

（1）重力輔助熱管冷凝液依靠自身重力回流到蒸發(fā)段的熱管。

（2）毛細(xì)吸液心熱管由多孔性的毛細(xì)吸液心產(chǎn)生的毛細(xì)作用力，將冷凝液抽吸回蒸發(fā)段的熱管。

（3）旋轉(zhuǎn)熱管旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部為一個(gè)錐形的密封腔，內(nèi)壁不裝管心，蒸發(fā)段的內(nèi)徑大于冷凝段的內(nèi)徑，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用離心力使工作液沿壁面的分量，把冷凝液送回到蒸發(fā)段。由于離心力的分量較大，流動(dòng)阻力小，因此，這種熱管的傳熱能力很大。

（4）電滲透流動(dòng)力熱管電滲透流是一種電動(dòng)力現(xiàn)象，不同表面對(duì)離子的吸收不同，因此，在液體與毛細(xì)心固體表面的交界處出現(xiàn)電荷累積，形成正負(fù)相反的電荷層，若加一個(gè)電場(chǎng)，兩層電荷就出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槊?xì)心壁面是固定的，因此，電荷隨液體上的相對(duì)毛細(xì)壁面運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)就稱(chēng)為電滲透。電滲透熱管就是利用電滲透流抽吸液體，幫助毛細(xì)抽吸，從而提高了熱管的毛細(xì)限，這種熱管的管心及工作液需要采用高電阻材料。

3．按熱管的使用控制類(lèi)型分類(lèi)

（1）充氣熱管當(dāng)熱管存在非凝氣體時(shí)，對(duì)冷凝段的性能有明顯的影響，利用這一性能來(lái)控制冷凝段熱流量，圖2（a）是由工作液的蒸汽壓力來(lái)進(jìn)行控制的。

（2）過(guò)量液體熱管此類(lèi)熱管是利用過(guò)量工作液體淹沒(méi)冷凝段進(jìn)行控制的。由圖2（b）可見(jiàn)，蒸汽溫度降低，使波紋管推出控制液體，迫使過(guò)量液體堵塞部分冷凝段，從而使熱導(dǎo)減少。

圖2

（3）蒸汽流量調(diào)節(jié)熱管蒸汽流量調(diào)節(jié)熱管是利用控制流過(guò)絕熱段的蒸汽流量來(lái)進(jìn)行控制的。若蒸發(fā)段的熱源溫度升高或熱輸入增加，蒸汽壓力和溫度隨之提高；當(dāng)蒸汽流過(guò)節(jié)流閥時(shí)流量減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致溫度和壓力下降，使冷凝段的熱導(dǎo)量變化很小，保持在預(yù)期的狀態(tài)（見(jiàn)圖2（c））。可見(jiàn)節(jié)流閥能起到控制冷凝段性能的作用。

（4）可變導(dǎo)熱管熱管的總熱導(dǎo)由蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段三部分熱導(dǎo)組成。若以某種方式改變其中任何一種熱導(dǎo)，而使總熱導(dǎo)改變的熱管，即可稱(chēng)為可變導(dǎo)熱管。① 改變熱導(dǎo)的方法有：② 控制返回蒸發(fā)段的冷凝液，使蒸發(fā)段局部干涸，熱導(dǎo)減少；③ 改變蒸汽流動(dòng)的通道，使蒸汽流的熱阻增加（相當(dāng)于熱流量降低）；在冷凝段內(nèi)充填惰性氣體，如氮、氦、氬等。當(dāng)熱管啟動(dòng)后，蒸汽流將惰性氣體驅(qū)向冷凝段，由于惰性氣體不傳熱，因此相當(dāng)于減少了部分冷凝面積，從而使熱導(dǎo)降低。圖3中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）為各種可控?zé)峁艿氖疽鈭D。由圖可見(jiàn)，各種可變導(dǎo)熱管均以改變蒸汽與惰性氣體分界面的位置，達(dá)到改變冷凝段的有效冷凝面積的目的，實(shí)現(xiàn)熱管的恒定熱流作用。

圖3

三、熱管的結(jié)構(gòu)與材料

熱管由管殼、管心（毛細(xì)結(jié)構(gòu)）和工作液（工作介質(zhì)）三部分組成。三者所選用的材料，除保證達(dá)到預(yù)定的熱管傳熱性能外，還應(yīng)保證工作過(guò)程中的相容性。

1 管殼管殼的作用是把工作液與外界隔開(kāi)，向工作液傳熱以及把工作液的熱量傳出來(lái)。因此，管殼要防漏、耐壓、傳熱性能好。對(duì)它的要求是：① 在蒸發(fā)段和冷凝段有高的熱傳導(dǎo)率；② 與工作液及環(huán)境的相容性；③ 有足夠的強(qiáng)度和剛度，在工作溫度范圍內(nèi)，能承受工作液的蒸汽壓力；④ 用于帶電，尤其是帶高壓電的發(fā)熱元件的傳熱時(shí)，應(yīng)選用電絕緣材料（如玻璃、陶瓷等）。管殼的材料有銅（無(wú)氧銅）、不銹鋼、鋁、鎳、鎢及非金屬材料玻璃、陶瓷等。

2 管心管心的主要作用是產(chǎn)生毛細(xì)壓差（抽吸力），把工作液從冷凝段輸送到蒸發(fā)段。此外，還用于把工作液分布到蒸發(fā)段上可能吸熱的任何范圍內(nèi)。管熱產(chǎn)生的最大毛細(xì)壓差隨毛細(xì)孔的減小而增加，但其滲透率則隨毛細(xì)孔的增大而增加。因此，均勻管心的最佳毛細(xì)孔尺寸是兩者折中的結(jié)果。對(duì)水平放置和重力助推式熱管可采用低性能管心，它有較大的毛細(xì)孔，如100目或150目多孔心子。在需要克服重力的場(chǎng)合下，需要小毛細(xì)孔?？臻g應(yīng)用管心，要求傳熱能力高，可采用非均勻管心或干道管心。對(duì)管心結(jié)構(gòu)的要求：① 有大的毛細(xì)壓差；② 保證工作液流動(dòng)阻力?。虎?厚度要適當(dāng)，在減小徑向熱阻的前提下，增加其厚度可以提高傳熱能力；④ 與工作液的相容性和濕潤(rùn)性。為了滿足這些要求，已研制成了許多管心結(jié)構(gòu)，圖4所示為其中的一部分管心結(jié)構(gòu)。管心可分為單一和復(fù)合式的均勻管心、槽道管心、干道管心等。均勻管心有絲網(wǎng)狀、泡沫狀、氈狀纖維狀和燒結(jié)狀等。單一管心用同一種材料制成，復(fù)合管心是由兩種或多種材料組成的。

圖4

圖4（a）所示為用小孔絲網(wǎng)卷成的管心，它可獲得大的毛細(xì)泵力，但工質(zhì)的回流阻力大；

圖4（b）所示為卷成多邊形的管心，雖比圓形管心的流動(dòng)阻力小，但徑向?qū)嵝圆?，溫降大。?fù)合管心的合理設(shè)計(jì)能彌補(bǔ)單一管心的不足之處。

圖4（e）為用粗、細(xì)不同的毛細(xì)孔絲網(wǎng)卷成的復(fù)合管心。其中粗孔絲網(wǎng)緊貼在容器的內(nèi)壁，細(xì)孔絲網(wǎng)放在蒸汽通道一邊，粗孔絲網(wǎng)管心提供小阻力的液通道，細(xì)孔絲網(wǎng)可獲得較大的毛細(xì)壓差。

圖4（g）為在窄槽管心的槽頂圓周上，再覆蓋一層細(xì)孔網(wǎng)卷成的管心，組成復(fù)合管心，也能獲得好的效果。

3 工作液應(yīng)根據(jù)熱管的工作性質(zhì)，特別是工作溫度的高低來(lái)選擇工作液。對(duì)工作液的要求是；① 與管殼及管心的相容性。② 熱穩(wěn)定性要好；③ 汽化熱大；④ 導(dǎo)熱系數(shù)高；⑤ 大的表面張力；⑥ 液相和汽相的密度低；⑦ 與管殼和管心材料的濕潤(rùn)性好；⑧ 適當(dāng)?shù)恼羝麎毫Γ虎?合適的冰點(diǎn)和凝固點(diǎn)；⑩ 其他特殊要求，如電絕緣性能等。常用的工作液見(jiàn)表1。

表1

四、熱管傳熱性能

1．熱管傳熱等效熱路圖

熱管傳熱等效熱路圖如圖5所示。圖中各部分的熱阻分別為：R1是熱源與熱管外表面之間熱阻（包括熱導(dǎo)、對(duì)流、輻射熱阻和接觸熱阻等）；R2是熱管管壁熱阻；R3是吸液心及其界面熱阻；R4是蒸汽進(jìn)入液－汽界面的熱阻；R5是蒸汽在管內(nèi)從蒸發(fā)段流向冷凝段流動(dòng)過(guò)程的熱阻；R6是汽－液界面熱阻；R7為冷凝液通過(guò)吸液心的熱阻；R8是管壁熱阻；R9是從熱管外殼表面至環(huán)境（或熱沉）的熱阻（包括接觸熱阻）；R10是管殼從蒸發(fā)段至冷凝段的熱阻；R11是管心從蒸發(fā)段至冷凝段的熱阻。

圖5 熱管傳熱等效熱路圖

2 熱管的傳熱極限

熱管傳熱能力的上限將受到一種或幾種因素的影響，有些高溫?zé)峁軉?dòng)時(shí)，蒸汽的速度可能會(huì)達(dá)到聲速。聲速條件是熱管達(dá)到最大傳熱能力的一個(gè)限制。當(dāng)溫度不高時(shí)，又受到黏性力的限制。熱管溫度升高，由于管心內(nèi)工作液被蒸汽攜帶而受限制。此外，還會(huì)受毛細(xì)壓差不足以及蒸發(fā)段燒干的限制。

1）黏性限在較長(zhǎng)的液態(tài)金屬熱管中，若在蒸汽壓較低的條件下啟動(dòng)，該壓力只能用于克服蒸汽流動(dòng)過(guò)程中因黏性力而引起的摩擦損失，使管內(nèi)的蒸汽流速低于聲速。這時(shí)，熱管的傳熱量達(dá)到極限，稱(chēng)為黏性限。

2）聲速限隨熱管蒸發(fā)段的質(zhì)量流量增加，蒸汽流速沿軸向增加，到蒸發(fā)段出口處達(dá)最大馬赫數(shù)（汽流速度／聲速）。這種阻塞流動(dòng)是熱管軸向熱流的一個(gè)基本條件，稱(chēng)為聲速限。

3）攜帶限熱管工作時(shí)，蒸汽與回流液體的流向相反。在汽液界面上的液體，因受逆向蒸汽流剪切力的作用而產(chǎn)生波動(dòng)。當(dāng)蒸汽流的速度足夠高時(shí)，可將波峰上產(chǎn)生的液滴刮起并由蒸汽攜帶至冷凝段，使冷凝液的回流量減小，造成蒸發(fā)段毛細(xì)心干涸，熱管停止工作。這種極限稱(chēng)為攜帶限。

4）沸騰限熱管中工質(zhì)的相變包括表面蒸發(fā)和在吸液心內(nèi)部的沸騰。除高溫的液態(tài)金屬熱管外，一般的熱管，兩種情況均可能發(fā)生。對(duì)于工質(zhì)在吸液心內(nèi)的沸騰，其徑向熱流密度的最大值，既受毛細(xì)抽吸力的限制，也受膜態(tài)沸騰的限制。

5）毛細(xì)限當(dāng)熱管的毛細(xì)抽吸力不足以克服液流的阻力時(shí)，回流液體受阻，使蒸發(fā)段的工質(zhì)得不到補(bǔ)充而出現(xiàn)干涸，通常將干涸前熱管達(dá)到的最大傳熱量，稱(chēng)為毛細(xì)限。

圖6 熱管傳熱極限圖

3 熱管的典型性能熱管可以在任意方向上工作，但是，當(dāng)蒸發(fā)段高于冷凝段時(shí)，它的性能將會(huì)降低，這是因?yàn)槔淠耍ǘ危┑墓ぷ饕阂骰卣舭l(fā)段時(shí)，需要克服重力的影響。圖7所示為粗、中、細(xì)三種吸液心的水管（管長(zhǎng)122cm）熱性能隨管位角φ的變化情況。/>

圖7

具有粗吸液心的熱管，當(dāng)它處于水平位置工作（φ＝0°）時(shí)，它的傳熱能力最大。當(dāng)冷凝端稍微向下傾斜某個(gè)角度時(shí)，它的傳熱能力就會(huì)迅速下降。細(xì)吸液心在水平位置時(shí)，傳送的熱量不是最大，但是，當(dāng)冷凝端向下傾斜一個(gè)角度時(shí)，它的傳熱能力不會(huì)很快下降。

五、熱管的應(yīng)用

由于熱管是一種高效的傳熱器件，其應(yīng)用范圍很廣，根據(jù)熱管的特性，它的主要應(yīng)用范圍包括：① 把熱源與冷源分開(kāi)；② 拉平溫度；③ 控制溫度；④ 變換熱通量；⑤ 作熱開(kāi)關(guān)及熱二極管用等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可采用不同形式的熱管。在電子設(shè)備中，主要是利用熱管傳遞熱量、拉平安裝底板的溫度、對(duì)設(shè)備或元器件進(jìn)行溫度控制以及冷卻飛行器上的電子元器件等。

1．管狀熱管管狀熱管有圓形、橢圓形或其他形狀的橫截面，主要用來(lái)把熱量傳至遠(yuǎn)處或形成一個(gè)緊湊式的散熱器。

圖8所示為用于行波管收集極的熱管散熱器。也可以把需要冷卻的電子元器件直接安裝在熱管上，或者被冷卻元器件安裝在平板上，然后把熱管嵌在平板內(nèi)。熱管與熱源接觸時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)法減小其接觸熱阻，否則就不能充分發(fā)揮熱管的傳熱性能。

圖8

2．平板熱管平板熱管（如圖9所示）的管心能把工作液沿較大的表面分布開(kāi)，形成一個(gè)溫度梯度很小，幾乎等溫的表面。它可用來(lái)拉平多排元器件的溫度，并冷卻多排元器件。特別適用于集成電路組件、MCM組件、晶體管組件以及高功率密度組件的散熱。

▲圖9

圖9圖10所示為用來(lái)冷卻大功率行波管的重力助推式熱管散熱器。行波管收集極的底板與重力熱管散熱器的蒸發(fā)段平面緊密接觸，行波管的熱量傳導(dǎo)到底板，通過(guò)接觸面?zhèn)髦琳舭l(fā)段表面，使蒸發(fā)段內(nèi)的工作液加熱升溫至真空狀態(tài)下的沸點(diǎn)溫度。圖11所示是該熱管的傳熱路徑圖。

圖10

圖11

如圖12所示為空心印制板組裝件。其通道內(nèi)有翅片式散熱片，在環(huán)境溫度為55℃的情況下，它最大的散熱能力只有50～55W。如果增加耗散功率，用這種方法就難以達(dá)到需求，若改用液體冷卻能滿足要求，但要增加系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。

圖12

如果用扁平熱管加到印制板的背面，將顯著提高從印制板中心到邊緣的傳熱能力，如圖12（a）所示。也可以將熱管彎成90°的結(jié)構(gòu)件，可以直接把印制板的熱量傳到機(jī)箱側(cè)壁，如圖12（b）所示，這樣可以減小印制板與機(jī)箱之間的接觸面的溫升。為了提高型材散熱器的冷卻效果，可以沿散熱片的長(zhǎng)度方向放置扁平熱管，沿散熱片的溫度梯度很小，得到等溫散熱片。

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