發(fā)布時(shí)間： 2021/12/13 發(fā)布人：蘇州卓納納米技術(shù)有限公司
熱管技術(shù)是1963年美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過(guò)熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機(jī)來(lái)獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機(jī)，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問(wèn)題得到良好解決，開(kāi)辟了散熱行業(yè)新天地。
從熱力學(xué)的角度看，為什么熱管會(huì)擁有如此良好的導(dǎo)熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。從熱傳遞的三種方式：輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。
熱管的基本工作
典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1．3×(10負(fù)1－－－10負(fù)4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不己，熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)程：
(1) 熱量從熱源通過(guò)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(fā)段內(nèi)的（液－－汽）分界面上蒸發(fā)；
(3) 蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；
(4) 蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽．液分界面上凝結(jié)：
(5) 熱量從（汽－－液）分界面通過(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源：
(6) 在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。
熱管的基本特性
熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。
(1)很高的導(dǎo)熱性：熱管內(nèi)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(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學(xué)第二定律，并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；熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，徑向并無(wú)太大的改善(徑向熱管除外)。
(2)優(yōu)良的等溫性：熱管內(nèi)腔的蒸汽是處于飽和狀態(tài)，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)熱力學(xué)中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。
(3)熱流密度可變性：熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)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，由于其內(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)力，因此任意一端受熱就可作為蒸發(fā)段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點(diǎn)可用于宇宙飛船和人造衛(wèi)星在空間的溫度展平，也可用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)器及其他裝置。
(5)熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能：熱管可做成熱二極管或熱開(kāi)關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。
(6)恒溫特性(可控?zé)峁?：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(dāng)加熱量變化時(shí)，熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)展了另一種熱管——可變導(dǎo)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(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。
(7)環(huán)境的適應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應(yīng)長(zhǎng)距離或沖熱流體不能混合的情況下的換熱；熱管既可以用于地面(重力場(chǎng))，也可用于空間(無(wú)重力場(chǎng))。
上圖表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀,蒸氣質(zhì)量流量,壓力以及管壁溫度 T w 和管內(nèi)蒸氣溫度 T v 沿管長(zhǎng)的變化趨勢(shì).沿整個(gè)熱管長(zhǎng)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(xì)壓差相平衡。
△ Pc(毛細(xì)壓頭—是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動(dòng)力,用來(lái)克服蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓力降
△ Pv,冷凝液體從冷凝段流回蒸發(fā)段的壓力降
△Pl和重力場(chǎng)對(duì)液體流動(dòng)的壓力降(△Pg可以是正值,是負(fù)值或?yàn)榱?視熱管在重力場(chǎng)中的位置而定)。
因此，△ Pc ≥ △Pl +△ P v +△ Pg是熱管正常工作的必要備件。
由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對(duì)熱管的分類也很多，常用的分類方法有以下幾種。
(1)按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分 熱管可分為低溫?zé)峁?—273－－－0℃)、常溫?zé)峁?0—250℃)、中溫?zé)峁躘250－－－450℃)、高溫?zé)峁?450一1000℃)等。
(2)按照工作液體回流動(dòng)力區(qū)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(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等等。 (3)按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習(xí)慣的劃分方法)可分為銅—水熱管、碳鋼。水熱管、銅鋼復(fù)合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼·榮熱管、不銹鋼．鈉熱管等等。
(4)按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分：可分為普通熱管、分離式熱管、毛紉泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。
(5)按熱管的功用劃分：可分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開(kāi)關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。
熱管的相容性及壽命
熱管的相容性是指熱管在預(yù)期的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應(yīng)用中具有重要的意義。只有長(zhǎng)期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長(zhǎng)期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。碳鋼－水熱管正是通過(guò)化學(xué)處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題，才使得碳鋼—水熱管這種高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。 影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)起來(lái)，造成效管不相容的主要形式有以下三方面，即：產(chǎn)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(chǎn)生不凝性氣體：由于工作液體與管完材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體，在熱管工作時(shí)，該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來(lái)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(jī)工作介質(zhì)在一定溫度下，會(huì)逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機(jī)工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機(jī)工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象。
(3) 管殼材料的腐蝕、溶解、工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，同時(shí)存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動(dòng)阻力增大，使熱管傳熱性能降低。當(dāng)管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫?zé)峁苤小?/span>
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