热管技术的来源

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1、,热管技术概述以及 我国对热管的研究现状,介绍者：唐 潇 组 员：郝丽敏甘 甜,介绍内容,热管技术的来源 热管的工作原理 热管的基本特性 热管的分类 热管技术现状 热管的应用 我国热管现存的问题 热管研究举例,热管技术的来源,什么是热管？,热管是一种能快速将热能从一点传至另一点的装置。其导热系数为铜的几百倍，被称作“传热超导体”。,热管技术的来源,1944年，美国俄亥俄州通用发动机公司(The General Motors Corporation，Ohio，U.S.A)的R.S.Gaugler在美国专利(No.230348)中提出的。,谁先提出的热管思想？,热管技术的来源,谁先提出的热管思想？

2、,R.S.Gaugler当时正在研究冷冻的问题，他设想一装置由密封的管子组成，在管内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下，冷凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续蒸发，如此循环，达到热量从一处传到另一处的目的。,热管技术的来源,由于通用发动机公司采用当时普遍应用的其他方法来解决这个特殊的问题，所以R.S.Gaugler所提出的热管研制工作还依然停留在专利阶段。,谁先提出的热管思想？,热管技术的来源,谁先提出的热管思想？,1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover重新独立发明了类似于R.S.Gaugler发明的传热元件，并进行了

3、性能测试实验，后来又在美国的应用物理杂志上公开发表了一篇论文，并正式将这一传热元件命名为热管“Heat Pipe”。热管这才为人们所知。,1965年Cotter首次提出了完整的热管理论，为以后的热管原理的研究工作奠定了基础。,热管的工作原理,基本原理：当热管的蒸发端受热时,毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向冷凝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,如此循环不已,热量从热管的一端传至另一端。,热管的工作原理,两个相变过程： 这两个过程分别在蒸发段和凝结段进行，如忽略蒸汽流动所需的微小压差，则热管内部应处于一个相平衡状态，而工质的相变过程具有极严格的饱和压力与

4、饱和温度间的依变关系，所以理论上热管两端的温度是相等的。,热管的工作原理,闭合循环四个过程：,循环,热管的工作原理,传热传质过程中六个相互关联的部分：热量从热源通过热管管壁和充满液体工质的吸液芯传递到汽液分界面;液体在蒸发段内的汽液分界面上蒸发;蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段:蒸汽在冷凝段的汽液分界面上凝结;热量从汽液分界面通过吸液芯、工作液体和管壁传给冷源;在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的液体工质回流到蒸发段。,热管的工作原理,Cotter理论：热管正常工作必要条件： PcapPv+Pl+PgPcap 蒸发段和冷凝段两端的毛细压力差 Pv 蒸汽从蒸发段流向冷凝段的阻力降 Pl 冷凝液体从冷

5、凝段回到蒸发段的压力降 Pg 重力对流体流动引起的压力降,热管管内汽液交界面形状,蒸汽质量流量,管壁温度Twc和管内蒸汽温度Tv,热管的基本特性,热管的分类,按照热管管内工作温度区分： 低温热管(-2730)常温热管(0250)中温热管(250450)高温热管(4501000),热管的分类,按照工作液体回流动力区分 ： 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 离心力热管 毛细力热管,热管的分类,按管壳与工作液体的组合方式划分 ： 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 ,热管的

6、分类,按结构形式区分 ： 普通热管 分离式热管 毛细泵回路热管 微型热管 平板热管（我们正在研究！） 径向热管,热管的分类,按热管的功用划分 ： 传输热量的热管 热二极管 热开关热管 热控制用热管 仿真热管 制冷热管,热管技术现状,温度展平 汇源分隔 变换热流密度 热控制(可变导热管) 单向导热(热二极管) 旋转元件的传热 微型热管技术 高温热管技术,热管技术现状,温度展平温度展平又称为均温技术，即利用热管本身的等温性，把一个温度不均匀的放热温度场展平成为一个均匀的温度场。,图(a) 设有一具有不均匀温度场的圆柱体,图(b) 设法在圆柱体表面上布置一定量的环状热管,热管技术现状,汇源分隔利用热

7、管将热源和热汇(冷源)分隔在两个场所进行热量交换，分隔的距离可以根据实际需要即所采用的热管性能来决定，可以从几十厘米到100米不等，这种技术在连续生产的工程换热中又十分重要的意义。,图(a) 为一般间 壁换热方式， 如管壁有微小 的泄漏 冷热源 则混合；,图(b) 采用热管换 热器，热源和冷 源将不会有任何 互混的机会。,热管技术现状,变换热流密度热管能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，相反，也可以较大的加热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量。如此可使单位加热和冷却面积上的热流量发生变化。,图(a)蒸发段的面积大于冷凝段，并附加翅片，Q一定时，蒸发段的热流密度远远小于

8、冷凝段的热流密度；,图(b)冷凝段的面积大于蒸发段，并附加了翅片，情况相反。,热管技术现状,热控制(可变导热管)可变导热管是热阻可以改变的热管，可实现热管温度的任意控制。热量输入增加，热量输出也增加；热量输入减小，热量输出也减小，如此可以维持热管的工作温度基本恒定。,图为充气式的可变导热管，通过交界面的移动，改变不凝气体段和冷凝段的面积。热量输入增加，冷凝面积增大；反之亦然。,热管技术现状,单向导热(热二极管)利用重力热管的传热原理，可以将热管看作单向导热元件。热二极管原理在太阳能热水器及土地永冻层保持工程中及其重要的应用。,图(a)蒸发段在冷凝段的下方，当热管被加热时，热管可以正常启动。,图

9、(b)冷凝段位于蒸发段下方时，由于重力作用冷凝段的液态工质回不到蒸发段，热管不能正常工作。,热管技术现状,旋转元件的传热旋转热管是在传热过程中回转运动的元件，其原理是依靠热管内液体工质转动过程中的离心力，或者是依靠液体本身重力位差，使得液体工质从冷凝段向蒸发段回流，从而实现整个蒸发冷凝循环。,典型的旋转热管的原理图,热管技术现状,微型热管技术微型热管的概念与常规热管的概念有所不同，它的毛细力不是由吸液芯提供的，而是由蒸汽通道周边的液缝的弯月面提供的，因此它的蒸汽通道的截面在设计当中特别重要，目前常见的截面形状如下：三角形、矩形、正方形、梯形等等。 主要解决微型电子器件的如电路板、大型集成路、电

10、脑CPU等的散热问题。,热管技术现状,高温热管技术,应用： 核电站 太阳能电站 斯特林发动机 高温热风炉 高温出渣口 赤热体取热,工作环境： 温度超过700 优点： 不蠕变 不腐蚀 稳定性好,热管的应用,热管的应用太阳能集热器,传统的全玻璃真空管太阳能集热器的缺点： 承压耐冻能力差 耐冲击能力弱 在寒冷地区容易冻裂 一支管子破损整个系统都要停止工作,热管式太阳能集热器能克服这些缺点！,热管的应用太阳能集热器,热管式真空管太阳能集热器,A-制冷液受热 B-蒸发阶段 C-冷凝阶段 D-冷凝回流,热管的应用太阳能集热器,两相闭式热虹吸管(重力热管),与普通热管所不同的是： 管内没有吸液芯，冷凝液从冷

11、凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此热虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。所以热虹吸管是只能沿一个方向(由下而上)传热的热二极管。,热管的应用电子冷却,随着计算机技术的飞速发展，目前，电子计算机芯片的热流密度已达到10W/cm2 (数量级)，据专家预测，到2010年以后，这一数值将突破100W/cm2(数量级)，达到1000W/cm2。常规的自然散热方式及风扇强制散热都难以满足要求。热管技术的存在摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管

12、技术的崭新散热模式。热管技术更为PC的静音时代带来了契机。,热管的应用电子冷却,有人对热管散热效果做了如下测试：,平台： 主板：七彩虹N73PV X5 ver 2.0 CPU ：Intel E2160盒装版，MO步进 内存：金士顿1G DDR2 800 电源：长城300W 系统：WINXP SP2使用PowerDVD播放1080P高清视频测试影片，在播放十分钟后，监控CPU的温度。,低了8度!,热管的应用余热回收,空气废热利用（余热回收）,本装置利用废热的能量来预热或预冷进入的新鲜空气，可以大量节约空调机的用电量。,热管的应用空气预热,优点：能降低排烟温度，提高整台炉子的热效率，提高了燃烧用空

13、气的温度，保证了火焰的稳定，且提高了燃烧效率，使炉膛烟气温度有所上升。,热管的应用航空航天,美国 “亚特兰蒂斯” (Atlantis) 号航天飞 机由于散热器胶管 的问题并未得到解 决，发射时间被多 次推迟。,热管特别适合于失重和低重力场合下使用； 热管在航天器上的应用主要有以下两个方面： 在温度均匀化方面的应用 在散热和温度控制方面的应用,热管的应用热棒,低温热管（热棒） 可保持冻土路基稳定，用于寒区冻土路基加固，流体输送管线防沉和寒冷地区路面积雪融化。,高原寒冷区冻土层地基的稳定性是青藏铁路面临的最大难题！ 冻土像冰一样，冬季冻结，夏季融化，反复交替，路基就会翻浆、冒泥，钢轨出现波浪形高低

14、起伏，路基塌陷，铁路变形，那是非常可怕的！对铁路运营安全造成威胁，严重的时候会车毁人亡。,热管的应用热棒,从8月初到10月上旬，外界大气温度一直都大于土体温度，这时，重力热管呈现热二极管的关闭状态，土体不向外界大气传热。 从10月上旬到来年的5月中旬，土体温度高于外界大气温度，热管开通，土体向外界大气传热。,热管解决了这个难题！,我国热管现存的问题,(1)价格偏高。 (2)工业使用的时间还不够长，应用面也不够广。 (3)存在灰堵、露点腐蚀等问题。 (4)实际应用的热管技术含量低，真正在实验室研究的成果到实际应用需要很长一段时间。 (5)对中温热管研究较多，对高温和低温热管的研究相对较少。 (6

15、)在基础领域的研究工作开展较少，这在很大程度上制约了我国热管水平的飞速发展。,热管研究举例热管式均热器,热管式均热器的理论与实验研究,均热器heat spreader,均热器，顾名思义，就是要使热量尽量分布均匀，消除热点。,热管式均热器的理论与实验研究,均热器的比较理想均热器应该最大限度的使热流密度趋于均匀。,热管式均热器的理论与实验研究,均热器内部的蒸汽运动模型,压扁,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的数值模拟ANSYS,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的数值模拟ANSYS 均热器与铜板性能比较,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的数值模拟ANSYS 均热器与铜板

16、性能比较,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的设计与加工热管加工,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的设计与加工抽真空,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的设计与加工灌液,最后需要密封！,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的性能测试试验台,模拟CPU放 热的热源！,以空气强制 对流的方式 冷却，冷却 强度由流速 控制。,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的性能测试试验结果,热管式均热器的理论与实验研究,热管式均热器的性能测试试验结果,热管式均热器的理论与实验研究,总结数值模拟和实验得出的结论相同：热管式均热器在均热效果方面远远强于铜板，从而在散热效果方面优于铜板，能使芯片最高温度大大降低，使芯片温度更加均匀，从而可以消除芯片上存在的“热点”。,The End ,Thanks!,