中文名稱(chēng)：熱管

英文名稱(chēng)：heat tube

定義：封閉的管殼中充以工作介質(zhì)并利用介質(zhì)的相變吸熱和放熱進(jìn)行熱交換的高效換熱元件。

應用學(xué)科：電力（一級學(xué)科）；通論（二級學(xué)科）

熱管技術(shù)是1963年美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實(shí)驗室的喬治格羅佛(George Grover)發(fā)明的一種稱(chēng)為“熱管”的傳熱元件,它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(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,其導熱能力超過(guò)任何已知金屬的導熱能力。

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的負壓后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(mǎn)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)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時(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成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(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)現這一熱量轉移的過(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(mǎn)工作液體的吸液芯傳遞到（液－－－汽）分界面；

(2)液體在蒸發(fā)段內的（液－－汽）分界面上蒸發(fā)；

(3)蒸汽腔內的蒸汽從蒸發(fā)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(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源：

(6)在吸液芯內由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。

基本特性

熱管是依靠自身內部工作液體相變來(lái)實(shí)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(gè)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(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(zhù)一些傳熱極限；熱管的軸向導熱性很強，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，由于其內部循環(huán)動(dòng)力是毛細力，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)則是當熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當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(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)現溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。

7、環(huán)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、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應長(cháng)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))。

相關(guān)曲線(xiàn)圖

左圖表示了熱管管內汽-液交界面形狀風(fēng)冷散熱器,蒸氣質(zhì)量流量,壓力以及管壁溫度 T w 和管內蒸氣溫度 T v 沿管長(cháng)的變化趨勢.沿整個(gè)熱管長(cháng)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(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)對液體流動(dòng)的壓力降(△Pg可以是正值,是負值或為零,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(lèi)和型式較多，再加上熱管在結構、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對熱管的分類(lèi)也很多，常用的分類(lèi)方法有以下幾種：

(1)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(450一1000℃)等。

(2)按照工作液體回流動(dòng)力區分 熱管可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱(chēng)重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉熱管、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(這是一種習慣的劃分方法)可分為銅—水熱管、碳鋼。水熱管、銅鋼復合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼·榮熱管、不銹鋼．鈉熱管等等。

(4)按結構形式區分 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。

相容性及壽命

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(fā)生顯著(zhù)的化學(xué)反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應用中具有重要的意義。只有長(cháng)期相容性良好的熱管，才能保證穩定的傳熱性能，長(cháng)期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。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)反應問(wèn)題，才使得碳鋼—水熱管這種高性能、長(cháng)壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規模推廣使用。

影響熱管壽命的因素很多，歸結起來(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)反應或電化學(xué)反應，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，這主要是由于有機工作液體的性質(zhì)不穩定，或與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類(lèi)等有機工作液體易發(fā)生該類(lèi)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(dòng)，同時(shí)存在著(zhù)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。當管殼被腐蝕后，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(lèi)現象常發(fā)生在堿金屬高溫熱管中。

熱管制造

1 熱管零部件及其加工

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

2 管殼

熱管的管殼大多為金屬無(wú)縫鋼管，根據不同需要可以采用不同材料，如銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、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(cháng)度可以從幾毫米到l00米以上。低溫熱管換熱器的管材在國外大多采用銅、鋁作為原料。采用有色金屬作管材主要是為了滿(mǎn)足與工作液體相容性的要求。

3 端蓋

熱管的端蓋具有多種結構形式，它與熱管舶連接方式也因結構形式而異。端蓋外圓尺寸可稍小于管殼內徑，配合后，管殼的突出部分可作為氬弧焊的熔焊部分，不必再填焊條，焊口光滑平整質(zhì)量容易保證。

旋壓封頭是國內外常采用的一種形式，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(guān)，強度好、省材省工，是一種良好的端蓋形式。

4 吸液芯結構

吸液芯是熱管的一個(gè)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。近年來(lái)隨著(zhù)熱管技術(shù)的發(fā)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(jiǎn)略的介紹。

5 管芯型式

5.1 一個(gè)性能優(yōu)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(dòng)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)良好的工藝重復性及可靠性，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

5.2 管芯的構造型式大致可分為以下幾類(lèi)：

(1)緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯此類(lèi)管芯

多層網(wǎng)的網(wǎng)層之間應盡量緊貼，網(wǎng)與管壁之間亦應貼合良好，網(wǎng)層數有l至4層或更多，各層網(wǎng)的目數可相同或不同．若網(wǎng)層多，則液體流通截面大，阻力小，但徑向熱阻大；用細網(wǎng)時(shí)毛細抽吸力大但流動(dòng)阻力亦增加．如在近壁因數層用粗孔網(wǎng)，表面一層用細孔網(wǎng)，這樣可由表面細孔網(wǎng)提供較大的毛細抽吸壓力，通道內的粗孔網(wǎng)使流動(dòng)阻力較小，但并不能改善徑向熱膽大的缺點(diǎn)．網(wǎng)芯式結構的管芯可得到較高的毛細力和較告的毛細提升高度，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，工藝重復性差又不能適應管道彎曲的情況，故在細長(cháng)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(wǎng)燒結在管內壁面上的管芯．此種管芯有較高的毛細抽吸力，并較大地改善了徑向熱阻，克服了網(wǎng)芯工藝重復性差的缺點(diǎn)，但因其滲透率較差，故軸向傳熱能力仍較軸向槽道管芯及干道式管芯的小。

(3)軸向槽道式管芯

在管殼內壁開(kāi)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(dòng)阻力甚小，因此可達到較高的軸向傳熱能力，徑向熱阻較小，工藝重復性良好，可獲得******幼兒何參數，因而可較正確地計算毛細限，此種管子彎曲后性能基本不變。由于其抗重力工作能力極差，不適于傾斜(熱端在上)工作。但對于空間的零重力條件則是非常適用的，因此廣泛用于空間飛行器。

(4)組合管芯

一般管芯往往不能同時(shí)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(wǎng)成金屬粉末，但它仍的滲透率較差。組合多層網(wǎng)雖然在這方面有所提高，可是其徑向熱阻大。組合管芯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。

制造工藝

例一

吸液芯型熱管制作工藝

如前所述，構成熱管的三個(gè)主要組成部分是管殼、管芯和工質(zhì)。在設計過(guò)程中，對管殼和管芯的材料進(jìn)行合理的選擇后就可以開(kāi)始制作。通常熱管的制造過(guò)程包括下面的工藝操作，并按一定的程序進(jìn)行。

1、機械加工－－－2、清洗－－－3、管芯制作－－－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(shí)際制造的時(shí)候往往能達到20，甚至上百道的工序。這里只是最簡(jiǎn)單的一些必須工序。

例二

重力熱管制作工藝

目前節能（余熱回收）領(lǐng)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(zhì)三部分組成，其通常制作工藝如下：

1、機械加工（管殼、端蓋，或者直接采購）——2、前處理（管殼、端蓋除油除銹）——3、烘干——4、端蓋焊接（氬弧焊，焊口打磨）——5、充裝工質(zhì)——6、排空氣（烘烤）——7、封頭焊接（氬弧焊）——8、檢驗

關(guān)鍵工序為：6、排空氣，7、封頭焊接

高效爐管

高效裂解爐管

高效余熱鍋爐

高效化學(xué)反應器

高效沸騰床取熱器

微型熱管在臺式電腦中的應用