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1、热管技术的原理应用与发展热管技术的原理应用与发展马永昌荣信电力电子股份有限公司，辽宁鞍山高新区科技路108号，114051，picc33HeatPipeTechnologyApplicationandDevelopmentMaYong-changRongxinPowerElectronicCo.,Ltd.,ChinaNo.108kejiRoad,High-TechZone,AnshanCity,PRChina,114051,picc33ABSTRACT:Heatpipetechnologyisaheatconductioninnovationemergedin1960s,ofwhichtheh
2、eatconductioncapabilityissuperiortoallotherexistingmetal.Heatpipeplaysveryimportantroleinheatsinkmanufacturingindustry.Inthispaper,theworkingprinciple,characteristic,category,compatibility,workmanshipandapplicationofheatpipeisintroduced.KEYWORD:heatpipetechnology,pipeshell,pipecore,Refrigerant摘要：热管技
3、术是20世纪60年代出现的一种传热新技术，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，在散热器制造行业占有重要的地位，本文从热管的基本原理、特性、类别、相容性、热管的制造及加工工艺和热管的应用与发展等几个方面对热管技术作一扼要的阐述。关键词：热管技术、管壳、管芯、工质0.引言热管传热利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。采用热管技术使得散热器即使采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样能够得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，开拓了散热行业的新天地。1.热管的基本工作原理1.1工作原理
4、物体的吸热、放热是相对的，但凡有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段简称热端，另外一端为冷凝段简称冷端，当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速
5、进行的，热量能够被源源不断地传导开来。1.2组成与工作经过典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成13(10-110-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。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。如此循环不己，热量由热管的一端传至另端。热管在实现这一热量转移的经过中，包含了下面六个互相关联的主要经过：(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到
6、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吸液芯、液体和管壁传给冷源；(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。1.3工作条件图1热管管内汽-液交界面质量流、压力和温度沿管长的变化示意图图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度Tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。热管正常工作的必要条件是PcPl+Pv+Pg其中Pc：毛细压头是热管内部工作液体循环的推动
7、力，用来克制蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降Pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降Pl，和重力场对液体流动的压力降Pg(Pg能够是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。2.热管的基本特性热管是依靠本身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有下面基本特性。2.1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，因而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，可能违背热力学第二定律，并且热管的传热能力遭到各种因素的限制，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
8、管除外)。2.2优良的等温性热管内腔的蒸汽处于饱和状态，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，因此热管具有优良的等温性。2.3热流密度可变性热管能够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，或者热管能够较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即能够改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。2.4热流方向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，因而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
9、在空间的温度展平，可以用于先放热后吸热的化学反响容器及其他装置。2.5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，热管开场工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。2.6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，因而当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管可变导热管，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。2.7环
10、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，热管可以做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既能够用于地面(重力场)，可以用于空间(无重力场)。3.热管的分类由于热管的用处、种类和型式较多，再加上热管在构造、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，常用的分类方法有下面几种。(1)根据热管管内工作温度区分热管可分为：低温热管(2730)、常温热管(0250)、中温热管250450)、高温热管(450一1000)等。(2)根据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
11、)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、浸透热管等等。(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)按构造形式区分可分为：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。(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、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。4.热管的相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反响或物理变化，或有变化但缺乏以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要
12、的意义。只要长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反响问题，才使得碳钢水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有下面三方面，即：产生不凝性气体，工作液体热物性恶化，管壳材料的腐蚀、溶解。(1)产生不凝性气体：由于工作液体与热管材料发生化学反响或电化学反响，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来构成气塞，进而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。(2)工作液体
13、物性恶化：有机工作介质在一定温度下，会逐步发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与热管壳体材料发生化学反响，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。(3)管壳材料的腐蚀、溶解：工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。5.热管制造热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。(1)管壳热管的管壳大多为金属无
14、缝钢管，根据不同需要能够采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子能够是标准圆形，可以以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径能够从2mm到200mm，甚至更大。长度能够从几毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了知足与工作液体相容性的要求。(2)端盖热管的端盖具有多种构造形式，它与热管连接方式也因构造形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑平整、质量容易保证。旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美
15、观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。(3)吸液芯构造吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的构造形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯构造和理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型的构造作出简赂的介绍。一个性能优良的管芯应具有：(1)足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径(2)较小的液体流动阻力，即有较高的浸透率(3)良好的传热特性，即有小的径向热阻(4)良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。管芯的构造型式大致可分为下面几类：(1)紧贴管壁的单层及多层网芯此类管芯多层网的网层之间应尽量紧贴，网与管壁之间亦应贴合良好，网层数有l至
16、4层或更多，各层网的目数可一样或不同若网层多，则液体流通截面大，阻力小，但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加。如在近壁因数层用粗孔网，外表一层用细孔网，这样可由外表细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小，但并不能改善径向热阻大的缺点。网芯式构造的管芯可得到较高的毛细力和较高的毛细提升高度，但因浸透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力遭到限制。此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况，故在细长热管中逐步由其它管芯取代。(2)烧结粉末管芯由一定目数的金属粉末烧结在管内壁面而构成与管壁一体的烧结粉末管芯，也有用金属丝网烧结在管内壁面上的管芯。
17、此种管芯有较高的毛细抽吸力，并较大地改善了径向热阻，克制了网芯工艺重复性差的缺点，但因其浸透率较差，故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小。(3)轴向槽道式管芯在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体回流通道，槽的截面形状可为矩形，梯形，圆形及变截面槽道，槽道式管芯固然毛细压头较小，但液体流动阻力甚小，因而可到达较高的轴向传热能力，径向热阻较小，工艺重复性良好，可获得准确的几何参数，因此可较正确地计算毛细限，此种管子弯曲后性能基本不变，但由于其抗重力工作能力极差，不适于倾斜(热端在上)工作，对于空间的零重力条件则是非常适用的，因而广泛用于空间飞行器。(4)组合管芯一般管芯往往不能同时兼
18、顾毛细抽吸力及浸透率。为了有高的毛细抽吸力，就要选用更细的网或金属粉末，但它的浸透率较差，组合多层网固然在这方面有所提高，可是其径向热阴大组合管芯能兼顾毛细力和浸透率，进而能获得高的轴向传热能力，而且大多数管芯的径向热阻甚小它基本上把管芯分成两部分一部分起毛细抽吸作用，另一部分起液体回流通道作用。6.制造工艺如前所述，构成热管的三个主要组成部分是管壳、管芯和工质。在设计经过中，对管壳和管芯的材料进行合理的选择后就能够开场制作。通常热管的制造经过包括下面的工艺操作，并按一定的程序进行:1热管的机械加工及清洗；2管芯制作及清洗；3冷端封口；4热端旋封；5检漏；6注入工质；7封头；8检漏；9缩径；1
19、0性能测试。实际制造的时候工序要复杂的多。这里只是列出最简单的一些必须工序。7.应用与发展热管技术目前被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电力、电子、煤碳、铁路、通讯、纺织等领域。热管技术最早应用在航天器上，由于航天器面向太阳和背向太阳的部件温差较大，容易损坏，利用热管使其到达热平衡可解决这个问题。在高原地带铺设石油管道或铁路，使用热管能够防止冻土层被毁坏。利用热管组成换热器来回收工业生产中的废热可节约大量的能源，在电力电子行业，由于热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长，热管风冷甚至自冷能够取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能
20、将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围。因此广泛应用在工业变流技术、软启动技术、变频调速技术、无功补偿技术等电力半导体分立器件、模块和组件等电力电子设备上。随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽，十分是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中的应用得到了极大的发展。8.结语本文从热管的基本原理、特性、类别、相容性、热管的制造及加工工艺和热管的应用与发展等几个方面对热管技术作一扼要的阐述。热管的应用领域非常广泛，发展
21、前景广阔。随着热管技术的不断发展，研发水安然平静制造工艺的不断提高，热管散热器在散热行业中会占有非常重要的地位。参考文献：11.（热管技术及其工程应用）著译者：庄骏、张红出版社：化学工业出版社出版日期:2004年7月22.（热管与热管换热器设计基础）黄问盈金勇杰出版社：中国铁道出版社出版日期：1995-11-133.（热管）作者:马同泽等编著，出版社:科学出版社，出版时间:199344.（传热学）(21世纪高等学校规划教材)张天孙，出版社：中国电力出版社，出版日期：2006年55.（热管与热管换热器）庄骏等编著，出版社：上海交通大学出版社，出版日期：1989-05-0166.（热管基础及其应用
22、）重庆大学热管科研组，中国科学技术情报研究所重庆分所编译，出版社：科学技术文献出版社重庆分社，出版时间；1987.677.（热管在热能中的应用）作者:吴存真、刘光铎，出版社:水利电力出版社，出版日期:1993年10月第1版88.（热管设计与应用）作者:李亭寒、华诚生等，出版社:化学工业出版社，出版日期:1987年08月第1版99.（实用热管技术）日池田义雄等编著；商改宋，李鹏龄译，出版社：化学工业出版社出版日期：1998.101010.（热管的物理原理）作者:(苏)伊凡诺夫斯基(Ivanovskii,M.N.)等著，出版社:中国石化出版社，出版时间:1991.71111.（热管理论与实用）作者:(美)纪(Chi,S.W.)著，出版社:科学出版社，出版时间:1991.9作者简介：马永昌1968-，男，河北阳原人，本科学历，工程师，从事变频器、热管散热器的研发、制造工作。