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1、热管科技名词定义科技名词定义中文名称：热管 英文名称：heat tube 定义：封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。 所属学科：电力（一级学科）；通论（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 百科名片百科名片热管工作原理示意图热管技术是 1963 年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛 (George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原 理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其 导热能力超过任何已知金属的导热能力。目录基本简介 基本工作 基本特性
2、 相容性及寿命 热管制造 制造工艺 基本简介 基本工作 基本特性 相容性及寿命 热管制造 制造工艺 展开编编辑辑本本段段基基本本简简介介热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制 造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电 机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用 低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问 题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu 的散热器上。 从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的 吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处
3、向 低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（ 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。热管内部是被抽成负压状 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。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热 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。这种循环是快速进行的， 热量可以被源源不断地传导开来。 编编辑辑本本段段基基
4、本本工工作作典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成13(10 负 110 负 4)Pa 的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯 毛细多孔材料中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 端受热时毛纫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过程中，包 含了以下六个相互关联的主要过程： (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（液 汽）分界面； (2
5、)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。 编编辑辑本本段段基基本本特特性性热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基 本特性。 1 1、很很高高的的导导热热性性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高 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，不可能违反 热力学第二定律
6、 ，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，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(径向热管除外 )。 2 2、优优良良的的等等温温性性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，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，因而热管具有优良的等温性。 3 3、热热流流密密度度可可变变性性热管可以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，或者热管可以较大的传热面积输入 热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些 其他方法难以解决的传热难题。 4
7、 4、热热流流方方向向酌酌可可逆逆性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，因此任意一 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 宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器 及其他装置。 5 5、热热二二极极管管与与热热开开关关性性能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，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。 6 6、恒恒温温特特性性( (可可控控热热管管) )普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加
8、热量变 化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管可变 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。 7 7、环环境境的的适适应应性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，热管也可做成分离式的，以适应长距离 或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也 可用于空间(无重力场)。 相关曲线图左图表示了热管管内汽 -液交界面形状 ,蒸气质量流量 ,压力以及管壁温度 T w 和管内蒸气
9、温度 T v 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。 Pc(毛细压头是热管内部工作液体循环的推动力 ,用来克服蒸汽从 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 可以是正值 ,是负值或为零 , 视热管在重力场中的位置而定 )。 因此， Pc Pl + P v + Pg 是热管正常工作的必要备件。 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、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，常用的分类方法有以下 几种： (1)按按照照热热管管管管内
10、内工工作作温温度度区区分分 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)按按照照工工作作液液体体回回流流动动力力区区分分 热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸 管(又称重力热管 )、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动 力热管、渗透热管等等。 (3)按按管管壳壳与与工工作作液液体体的的组组合合方方式式划划分分 (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 钢荣热管、不锈钢钠热管等等。 (4)按按结结构构形形式式区区分分 可分为普通热管、分离式热管、毛纫泵回
11、路热管、 微型热管、平板热管、径向热管等。 (5)按按热热管管的的功功用用划划分分 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。 编编辑辑本本段段相相容容性性及及寿寿命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 生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相 容性在热管的应用中具有重要的意义。只有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应问题，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
12、广使 用。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成效管不相容的主要形式有以 下三方面，即： 产产生生不不凝凝性性气气体体 ；工工作作液液体体热热物物性性恶恶化化；管管壳壳材材料料的的腐腐蚀蚀 、 溶溶解解。 (1)产产生生不不凝凝性性气气体体 由于工作液体与管完材料发生化学反应或电化学反 应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冲凝段聚集起 来形成气塞，从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)工工作作液液体体物物性性恶恶化化 有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解， 这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学反应，使 工作
13、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)管管壳壳材材料料的的腐腐蚀蚀 、溶溶解解 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。 编编辑辑本本段段热热管管制制造造1 1 热热管管零零部部件件及及其其加加工工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。 2 2 管管壳壳热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不
14、同需要可以采用不同材料，如 铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的， 如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm 到 200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到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满足与 工作液体相容性的要求。 3 3 端端盖盖热管的端盖具有多种结构形式，它与热管舶连接方式也因结构形式而异。 端盖外圆尺寸可稍小于管壳内径，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
15、而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。4 4 吸吸液液芯芯结结构构吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构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 结构和理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型的结构作出简略的介绍。5 5 管管芯芯型型式式5 5. .1 1 一一个个性性能能优优良良的的管管芯芯应应具具有有： (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，即有较高的渗透率； (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。 5 5. .2
16、 2 管管芯芯的的构构造造型型式式大大致致可可分分为为以以下下几几类类： ( (1 1) )紧紧贴贴管管壁壁的的单单层层及及多多层层网网芯芯此此类类管管芯芯 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 4 层或更多，各层网的目数可相同或不同若网层多，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，表面一层用细孔网，这样可由表面细孔网提供较大 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胆 大的缺点网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较告的毛细提升高度， 但因渗透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力受到限制此外 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 中逐渐由其它管芯取代。 ( (2 2) )烧烧结结粉粉末末管管芯
