电子设备散热新技术1热电半导体制冷器2热管散热器3焦汤制冷器 第六章 热电半导体制冷器 ØØ半导体制冷又称热电制冷，或者温差电制冷，是半导体制冷又称热电制冷，或者温差电制冷，是从从5050年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科技术边缘的学科ØØ它利用特种半导体材料构成的它利用特种半导体材料构成的P-NP-N结，形成热电结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式称为世界三大制冷方式 帕尔帖效应（热电制冷效应）帕尔帖效应（热电制冷效应） 1834 1834年法国物理学家帕尔帖发现：当一块年法国物理学家帕尔帖发现：当一块年法国物理学家帕尔帖发现：当一块年法国物理学家帕尔帖发现：当一块N N型半导体和型半导体和型半导体和型半导体和一块一块一块一块P P型半导体连接成电偶并在闭合回路中通以直流电流时，型半导体连接成电偶并在闭合回路中通以直流电流时，型半导体连接成电偶并在闭合回路中通以直流电流时，型半导体连接成电偶并在闭合回路中通以直流电流时，在其两端的结点将分别产生吸热和放热现象。
在其两端的结点将分别产生吸热和放热现象在其两端的结点将分别产生吸热和放热现象在其两端的结点将分别产生吸热和放热现象 半导体制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料半导体制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料半导体制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料半导体制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差纯金属的导电导热性能好，但制冷的能级差，即热电势差纯金属的导电导热性能好，但制冷的能级差，即热电势差纯金属的导电导热性能好，但制冷的能级差，即热电势差纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到效率极低（不到效率极低（不到效率极低（不到1%1%）半导体材料具有极高的热电势，可以）半导体材料具有极高的热电势，可以）半导体材料具有极高的热电势，可以）半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器成功的用来做小型的热电制冷器成功的用来做小型的热电制冷器成功的用来做小型的热电制冷器 电偶臂结点处吸收的热量为电偶臂结点处吸收的热量为电偶臂结点处吸收的热量为电偶臂结点处吸收的热量为式中：式中：式中：式中：π π —— —— 帕尔帖系数，帕尔帖系数，帕尔帖系数，帕尔帖系数， π π=(=(α αP P－－－－α αN N) )T Tc c，，，，单单单单 位为位为位为位为V V，故该系，故该系，故该系，故该系 数又称为帕尔帖电压；数又称为帕尔帖电压；数又称为帕尔帖电压；数又称为帕尔帖电压； α αP P、、、、α αN N —— —— P P型和型和型和型和N N型半导体材料的温差电动热，型半导体材料的温差电动热，型半导体材料的温差电动热，型半导体材料的温差电动热，V/℃V/℃；；；； I I —— —— 直流电流，直流电流，直流电流，直流电流，A A；；；； T Tc c —— —— 冷端温度，冷端温度，冷端温度，冷端温度，KK。
二、塞贝克效应（逆效应）二、塞贝克效应（逆效应） 1821 1821年塞贝克（年塞贝克（年塞贝克（年塞贝克（T.J.SeebeckT.J.Seebeck）发现：用两种不同导体相）发现：用两种不同导体相）发现：用两种不同导体相）发现：用两种不同导体相互连接而形成的回路中，若在其两端的接头处维持某一温差，互连接而形成的回路中，若在其两端的接头处维持某一温差，互连接而形成的回路中，若在其两端的接头处维持某一温差，互连接而形成的回路中，若在其两端的接头处维持某一温差，则将在回路中产生电动势则将在回路中产生电动势则将在回路中产生电动势则将在回路中产生电动势电动势的大小与温差成正比，即电动势的大小与温差成正比，即电动势的大小与温差成正比，即电动势的大小与温差成正比，即或或或或式中：式中：式中：式中：α α —— —— 塞贝克系数，塞贝克系数，塞贝克系数，塞贝克系数，V/℃V/℃，与半导体材料的性质有关与半导体材料的性质有关与半导体材料的性质有关与半导体材料的性质有关 三、汤姆逊效应三、汤姆逊效应 1854 1854年汤姆逊（年汤姆逊（年汤姆逊（年汤姆逊（W.ThomsonW.Thomson）提出：当电流流过具有温）提出：当电流流过具有温）提出：当电流流过具有温）提出：当电流流过具有温度梯度的单个均匀导体时，将产生放热和吸热现象。
度梯度的单个均匀导体时，将产生放热和吸热现象度梯度的单个均匀导体时，将产生放热和吸热现象度梯度的单个均匀导体时，将产生放热和吸热现象 单位时间内产生的汤姆逊热的多少与电流和温度梯度的单位时间内产生的汤姆逊热的多少与电流和温度梯度的单位时间内产生的汤姆逊热的多少与电流和温度梯度的单位时间内产生的汤姆逊热的多少与电流和温度梯度的乘积成反比，即乘积成反比，即乘积成反比，即乘积成反比，即式中：式中：式中：式中：σ σ —— —— 汤姆逊系数，汤姆逊系数，汤姆逊系数，汤姆逊系数，V/℃V/℃ 四、焦耳效应四、焦耳效应 电阻生热效应电阻生热效应电阻生热效应电阻生热效应式中：式中：式中：式中：R —— R —— 导体的电阻；导体的电阻；导体的电阻；导体的电阻；I I —— —— 通过导体的电流通过导体的电流通过导体的电流通过导体的电流五、傅立叶效应五、傅立叶效应傅立叶导热定律傅立叶导热定律傅立叶导热定律傅立叶导热定律式中：式中：式中：式中：λ —— λ —— 导体的导热系数，导体的导热系数，导体的导热系数，导体的导热系数，W/(m·K)W/(m·K)；；；； A A —— —— 导体的横截面面积，导体的横截面面积，导体的横截面面积，导体的横截面面积，mm2 2；；；； l l —— —— 温差电偶对的长度，温差电偶对的长度，温差电偶对的长度，温差电偶对的长度，mm；；；； Δ Δt t —— —— 电偶对两结点的温差，电偶对两结点的温差，电偶对两结点的温差，电偶对两结点的温差，℃℃。
制冷器冷端净吸热的基本方程 设计热电制冷器时，通常忽略汤姆逊热的影设计热电制冷器时，通常忽略汤姆逊热的影设计热电制冷器时，通常忽略汤姆逊热的影设计热电制冷器时，通常忽略汤姆逊热的影响，而且这种忽略所引起的误差不会太大响，而且这种忽略所引起的误差不会太大响，而且这种忽略所引起的误差不会太大响，而且这种忽略所引起的误差不会太大 在在在在x x x x＝＝＝＝L L L L的冷端处，净抽吸热等的冷端处，净抽吸热等的冷端处，净抽吸热等的冷端处，净抽吸热等于帕尔帖热减去焦耳热和傅立叶导于帕尔帖热减去焦耳热和傅立叶导于帕尔帖热减去焦耳热和傅立叶导于帕尔帖热减去焦耳热和傅立叶导热带来的损失，如以热带来的损失，如以热带来的损失，如以热带来的损失，如以T T T Tc c c c表示冷端温表示冷端温表示冷端温表示冷端温度，则有度，则有度，则有度，则有 故制冷器冷端净吸热量故制冷器冷端净吸热量故制冷器冷端净吸热量故制冷器冷端净吸热量 热电制冷装置的优点：热电制冷装置的优点：热电制冷装置的优点：热电制冷装置的优点： ①①①① 可采用直流电源，并以改变电流方向的方法达到加热可采用直流电源，并以改变电流方向的方法达到加热可采用直流电源，并以改变电流方向的方法达到加热可采用直流电源，并以改变电流方向的方法达到加热或制冷的目的。
用于加热时的效率可大于或制冷的目的用于加热时的效率可大于或制冷的目的用于加热时的效率可大于或制冷的目的用于加热时的效率可大于1 1 ②②②② 无运转部件，故可靠性高无运转部件，故可靠性高无运转部件，故可靠性高无运转部件，故可靠性高 ③③③③ 对重力不敏感对重力不敏感对重力不敏感对重力不敏感 ④④④④ 制冷的速度和温度可通过工作电流进行控制制冷的速度和温度可通过工作电流进行控制制冷的速度和温度可通过工作电流进行控制制冷的速度和温度可通过工作电流进行控制 ⑤⑤⑤⑤ 装置的只寸不受限制，可根据设备的制冷要求进行组装置的只寸不受限制，可根据设备的制冷要求进行组装置的只寸不受限制，可根据设备的制冷要求进行组装置的只寸不受限制，可根据设备的制冷要求进行组装 热电制冷装置的主要缺点是工作效率较低，尤其是需要热电制冷装置的主要缺点是工作效率较低，尤其是需要热电制冷装置的主要缺点是工作效率较低，尤其是需要热电制冷装置的主要缺点是工作效率较低，尤其是需要采用大电流的直流电源，其体积和重量较大。
其制冷温度也采用大电流的直流电源，其体积和重量较大其制冷温度也采用大电流的直流电源，其体积和重量较大其制冷温度也采用大电流的直流电源，其体积和重量较大其制冷温度也比不上机械式制冷机低因此仅适用于制冷量小、制冷温度比不上机械式制冷机低因此仅适用于制冷量小、制冷温度比不上机械式制冷机低因此仅适用于制冷量小、制冷温度比不上机械式制冷机低因此仅适用于制冷量小、制冷温度不太低的电子器件冷却或作为恒温器使用不太低的电子器件冷却或作为恒温器使用不太低的电子器件冷却或作为恒温器使用不太低的电子器件冷却或作为恒温器使用 半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：热应用比较普遍，有以下几个方面：热应用比较普遍，有以下几个方面：热应用比较普遍，有以下几个方面：1 1 1 1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统2 2 2 2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等3 3 3 3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片种恒温、高低温实验仪片种恒温、高低温实验仪片种恒温、高低温实验仪片4 4 4 4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。
5 5 5 5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等以及其他电器等以及其他电器等以及其他电器等 第七章 热管散热器 7.1 概述ØØ 19651965年年年年CofferCoffer发表了热管理论发表了热管理论发表了热管理论发表了热管理论ØØ热管技术的特点热管技术的特点热管技术的特点热管技术的特点⑴⑴⑴⑴ 热管的传热能力高热管的传热能力高热管的传热能力高热管的传热能力高————利用工质的相变传热利用工质的相变传热利用工质的相变传热利用工质的相变传热⑵⑵⑵⑵ 热管的均温特性好热管的均温特性好热管的均温特性好热管的均温特性好————管内蒸气处于饱和状态管内蒸气处于饱和状态管内蒸气处于饱和状态管内蒸气处于饱和状态⑶⑶⑶⑶ 具有可变换热流密度的能力具有可变换热流密度的能力具有可变换热流密度的能力具有可变换热流密度的能力————实现实现实现实现“ “热变压器热变压器热变压器热变压器” ”。
⑷⑷⑷⑷ 具有良好的恒温特性具有良好的恒温特性具有良好的恒温特性具有良好的恒温特性————充有惰性气体的可控热管充有惰性气体的可控热管充有惰性气体的可控热管充有惰性气体的可控热管5) (5) (5) (5) 环境的适应性环境的适应性环境的适应性环境的适应性 7.2 热管的类型及其工作原理热管按其工作温度范围可分为：热管按其工作温度范围可分为：热管按其工作温度范围可分为：热管按其工作温度范围可分为：⑴⑴⑴⑴ 深冷热管深冷热管深冷热管深冷热管————工作温度范围为工作温度范围为工作温度范围为工作温度范围为100100～～～～200K200K工质可选用纯化工质可选用纯化工质可选用纯化工质可选用纯化学元素，如氦、氩、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物学元素，如氦、氩、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物学元素，如氦、氩、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物学元素，如氦、氩、氮、氧等，或乙烷、氟利昂的化合物⑵⑵⑵⑵ 低温热管低温热管低温热管低温热管————工作温度范围为工作温度范围为工作温度范围为工作温度范围为200200～～～～250K250K工质可选用水、工质可选用水、工质可选用水、。
工质可选用水、氟利昂、氨、酒精、丙酮等有机物质氟利昂、氨、酒精、丙酮等有机物质氟利昂、氨、酒精、丙酮等有机物质氟利昂、氨、酒精、丙酮等有机物质⑶⑶⑶⑶ 中温热管中温热管中温热管中温热管————工作温度范围为工作温度范围为工作温度范围为工作温度范围为550550～～～～750K750K工质可选工质可选工质可选工质可选 用用用用导热姆导热姆导热姆导热姆A A（联苯（联苯（联苯（联苯——苯醚共溶体）、水银、硫、铯等物质苯醚共溶体）、水银、硫、铯等物质苯醚共溶体）、水银、硫、铯等物质苯醚共溶体）、水银、硫、铯等物质⑷⑷⑷⑷ 高温热管高温热管高温热管高温热管————工作温度范围大于工作温度范围大于工作温度范围大于工作温度范围大于750K750K工质可选用钾、锂、工质可选用钾、锂、工质可选用钾、锂、工质可选用钾、锂、铝、银等高熔点液态金属铝、银等高熔点液态金属铝、银等高熔点液态金属铝、银等高熔点液态金属 一、普通热管一、普通热管普通热管由管壳、吸液芯和工质组成普通热管由管壳、吸液芯和工质组成普通热管由管壳、吸液芯和工质组成普通热管由管壳、吸液芯和工质组成 热管中工质流动的阻力：热管中工质流动的阻力：热管中工质流动的阻力：热管中工质流动的阻力：⑴⑴⑴⑴ 液体从冷凝端返回蒸发端所产生的阻力液体从冷凝端返回蒸发端所产生的阻力液体从冷凝端返回蒸发端所产生的阻力液体从冷凝端返回蒸发端所产生的阻力Δ Δp pl l；；；；⑵⑵⑵⑵ 蒸气从蒸发端流向冷凝端所遇到的阻力蒸气从蒸发端流向冷凝端所遇到的阻力蒸气从蒸发端流向冷凝端所遇到的阻力蒸气从蒸发端流向冷凝端所遇到的阻力Δ Δp pv v；；；； ⑶⑶⑶⑶ 热管倾斜放置时，重力对轴向压力的影响热管倾斜放置时，重力对轴向压力的影响热管倾斜放置时，重力对轴向压力的影响热管倾斜放置时，重力对轴向压力的影响Δ Δp pg g；；；；热管正常工作必须满足的压力平衡式为：热管正常工作必须满足的压力平衡式为：热管正常工作必须满足的压力平衡式为：热管正常工作必须满足的压力平衡式为： 二二.两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管 两相闭式热虹吸管又称为重力热管。
两相闭式热虹吸管又称为重力热管 与普通热管原理一样，但不同的是热管内与普通热管原理一样，但不同的是热管内没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身没有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一的重力作用，因此，热虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段定的方向性：冷凝段位置必须高于蒸发段其结构简单、制造方便、成本低廉、而且其结构简单、制造方便、成本低廉、而且传热性能优良、工作可靠，因此在地面上传热性能优良、工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可以作为高效传热元的各类传热设备中都可以作为高效传热元件，其应用领域非常广泛件，其应用领域非常广泛两相闭式热虹吸管两相闭式热虹吸管 三三.旋转热管旋转热管 旋转热管的概念是由旋转热管的概念是由Gray于于1969年首次提出的旋转热年首次提出的旋转热管的显著特征是热管自身是旋管的显著特征是热管自身是旋转件，因而可以用于所有需要转件，因而可以用于所有需要冷却散热的旋转零部件，如电冷却散热的旋转零部件，如电机转子，发动机电动机转轴等机转子，发动机电动机转轴等的冷却，具有实际应用价值的冷却，具有实际应用价值。
四四.分离式热管分离式热管 分离式热管结构示意图 分离式热管的结构如左图所示，其分离式热管的结构如左图所示，其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路 分离式热管的冷凝段必须高于蒸发分离式热管的冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之间会形段，液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力不再需要外加动力 分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离分离式热管最大的特点是冷凝段和蒸发段可以较远距离安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题安装，从而使得冷热流体完全隔离，避免了相互渗漏的问题 ，安全性能较经典热管大为提高安全性能较经典热管大为提高 五、可变导热管五、可变导热管改变热导的方式有：改变热导的方式有：改变热导的方式有：改变热导的方式有：⑴⑴⑴⑴ 控制返回蒸发端的冷凝液，使蒸发端局部干涸（相当于蒸控制返回蒸发端的冷凝液，使蒸发端局部干涸（相当于蒸控制返回蒸发端的冷凝液，使蒸发端局部干涸（相当于蒸控制返回蒸发端的冷凝液，使蒸发端局部干涸（相当于蒸发面积减少），热导降低；发面积减少），热导降低；发面积减少），热导降低；发面积减少），热导降低；⑵⑵⑵⑵ 改变蒸气流动的通道，使蒸气流的热阻增加（相当于热导改变蒸气流动的通道，使蒸气流的热阻增加（相当于热导改变蒸气流动的通道，使蒸气流的热阻增加（相当于热导改变蒸气流动的通道，使蒸气流的热阻增加（相当于热导降低）；降低）；降低）；降低）；⑶⑶⑶⑶ 在冷凝端内充填惰性气体，如氮、氦、氩等。
热管启动后，在冷凝端内充填惰性气体，如氮、氦、氩等热管启动后，在冷凝端内充填惰性气体，如氮、氦、氩等热管启动后，在冷凝端内充填惰性气体，如氮、氦、氩等热管启动后，蒸气流将气体驱使至冷凝端，从而相当于减少部分冷凝面蒸气流将气体驱使至冷凝端，从而相当于减少部分冷凝面蒸气流将气体驱使至冷凝端，从而相当于减少部分冷凝面蒸气流将气体驱使至冷凝端，从而相当于减少部分冷凝面积，使热导减少积，使热导减少积，使热导减少积，使热导减少图图图图9-7a9-7a、、、、b b、、、、c c、、、、d d、、、、e e为充填有惰性气体的可控热管示意图为充填有惰性气体的可控热管示意图为充填有惰性气体的可控热管示意图为充填有惰性气体的可控热管示意图 近年来还出现了一种平板近年来还出现了一种平板近年来还出现了一种平板近年来还出现了一种平板式可变导热管，其表面积式可变导热管，其表面积式可变导热管，其表面积式可变导热管，其表面积为为为为1270mm×860mm1270mm×860mm，内部，内部，内部，内部热负荷变化为热负荷变化为热负荷变化为热负荷变化为2 2～～～～3.6W/cm3.6W/cm2 2，控温范围为，控温范围为，控温范围为，控温范围为20℃±5℃20℃±5℃。
六六.微型热管及小型热管微型热管及小型热管微型热管横截面示意图 定义定义：微型热管被定义为液汽交界面的平均曲率在数量：微型热管被定义为液汽交界面的平均曲率在数量上和液体总流通截面水力半径的倒数相当的一种热管典型上和液体总流通截面水力半径的倒数相当的一种热管典型的微型热管有凸面、锐角的截面的微型热管有凸面、锐角的截面(例如多边形例如多边形)，水力半径范，水力半径范围为围为10～～500μm其典型横截面形状其典型横截面形状如上图所示如上图所示对于小型对于小型热管，其最小截面直径为热管，其最小截面直径为1mm数量级 七、毛细泵回路七、毛细泵回路 热管作为高效的传热元件已广泛应用于各个领域，然而在地面上，如果热管热管作为高效的传热元件已广泛应用于各个领域，然而在地面上，如果热管的蒸发段位于冷凝段之上，其传热能力就将受到限制，毛细泵回路可以解决这一的蒸发段位于冷凝段之上，其传热能力就将受到限制，毛细泵回路可以解决这一问题，其基本工理与普通热管的基本原理相似，但其可处于任何位置长距离有效问题，其基本工理与普通热管的基本原理相似，但其可处于任何位置长距离有效换热 其概念首先是由美国其概念首先是由美国NASA Lewis研究中心的研究中心的Stenger于于1966年提出的，可有年提出的，可有效地用于小温差、长距离、无附加动力的热量回收，也可用于航天器的热管理系效地用于小温差、长距离、无附加动力的热量回收，也可用于航天器的热管理系统，并可能使大型航天器的热管理系统出现巨大的变革。
统，并可能使大型航天器的热管理系统出现巨大的变革 毛细泵回路以其独特的工作方式工作，具有以下工作特点： (1)具有较高的传热能力具有较高的传热能力 (2)具有优良的控温特性具有优良的控温特性(3)热分享特性热分享特性(4)压力灌注特性压力灌注特性 (5)热二极管特性热二极管特性 毛细泵回路的研究已经成为目前研究的热点之一，它在空间站、现代通讯卫星、大功率宇宙飞船、电子元器件的冷却方面都有着广阔的应用前景 7.3 普通热管的 传热性能一、热管的传热过程一、热管的传热过程 R R1 1 —— —— 热源输入热管过程中所遇热源输入热管过程中所遇热源输入热管过程中所遇热源输入热管过程中所遇 到的阻力到的阻力到的阻力到的阻力（即热源与管壁外表面的传热热阻）（即热源与管壁外表面的传热热阻）（即热源与管壁外表面的传热热阻）（即热源与管壁外表面的传热热阻） R R2 2 —— —— 热流通过热管管壁的阻力热流通过热管管壁的阻力热流通过热管管壁的阻力热流通过热管管壁的阻力 R R3 3 —— —— 热流通过各种吸液芯以及壁和液体热流通过各种吸液芯以及壁和液体热流通过各种吸液芯以及壁和液体热流通过各种吸液芯以及壁和液体之间的阻力之间的阻力之间的阻力之间的阻力。
R R4 4 —— —— 蒸气流逸液蒸气流逸液蒸气流逸液蒸气流逸液——汽交界面的阻力；汽交界面的阻力；汽交界面的阻力；汽交界面的阻力； R R5 5 —— —— 蒸气流在管内由蒸发端向冷凝端转蒸气流在管内由蒸发端向冷凝端转蒸气流在管内由蒸发端向冷凝端转蒸气流在管内由蒸发端向冷凝端转移过程的阻力移过程的阻力移过程的阻力移过程的阻力 R R6 6 —— —— 蒸气进入汽蒸气进入汽蒸气进入汽蒸气进入汽——液分界面的阻力液分界面的阻力液分界面的阻力液分界面的阻力 R R7 7 —— —— 冷凝液通过吸液芯的阻力冷凝液通过吸液芯的阻力冷凝液通过吸液芯的阻力冷凝液通过吸液芯的阻力 R R8 8 —— —— 冷凝液通过冷凝端管壁的阻力冷凝液通过冷凝端管壁的阻力冷凝液通过冷凝端管壁的阻力冷凝液通过冷凝端管壁的阻力 R R9 9 —— —— 冷凝液与冷却介质（空气、水等）之间的传热阻力冷凝液与冷却介质（空气、水等）之间的传热阻力冷凝液与冷却介质（空气、水等）之间的传热阻力冷凝液与冷却介质（空气、水等）之间的传热阻力。
R R10 10 —— —— 热管管壁沿轴向的导热热阻热管管壁沿轴向的导热热阻热管管壁沿轴向的导热热阻热管管壁沿轴向的导热热阻 R R11 11 —— —— 热流通过吸液芯时轴向导热热阻热流通过吸液芯时轴向导热热阻热流通过吸液芯时轴向导热热阻热流通过吸液芯时轴向导热热阻 表中定义式中的各符号意义：表中定义式中的各符号意义：表中定义式中的各符号意义：表中定义式中的各符号意义： A Ae e、、、、 A Ac c ———— 蒸发端和冷凝端的表面积，蒸发端和冷凝端的表面积，蒸发端和冷凝端的表面积，蒸发端和冷凝端的表面积，mm2 2；；；； α αe e、、、、 α αc c —— —— 蒸发端和冷凝端的表面传热系数，蒸发端和冷凝端的表面传热系数，蒸发端和冷凝端的表面传热系数，蒸发端和冷凝端的表面传热系数，W/(mW/(m2 2·K)·K)；；；； λ λw w、、、、 λ λ、、、、 λ λl l —— —— 固体壁面、吸液芯、工质的导热系数，固体壁面、吸液芯、工质的导热系数，固体壁面、吸液芯、工质的导热系数，固体壁面、吸液芯、工质的导热系数，W/(m·K)W/(m·K)；；；； r r1 1、、、、 r r2 2 —— —— 圆形热管的内、外半径，圆形热管的内、外半径，圆形热管的内、外半径，圆形热管的内、外半径，mm；；；； δ δe e、、、、 δ δw w —— —— 热管管壁和吸液芯的厚度，热管管壁和吸液芯的厚度，热管管壁和吸液芯的厚度，热管管壁和吸液芯的厚度，mm；；；； λ λe e —— —— 吸液芯组合导热系数，吸液芯组合导热系数，吸液芯组合导热系数，吸液芯组合导热系数， W/(m·K) W/(m·K)；；；； ε ε —— —— 空隙率，空隙率，空隙率，空隙率， r rs s —— —— 工质的汽化潜热，工质的汽化潜热，工质的汽化潜热，工质的汽化潜热，J/kgJ/kg；；；； p pv v —— —— 热管内的蒸气压力，热管内的蒸气压力，热管内的蒸气压力，热管内的蒸气压力，PaPa；；；； R Rg g —— —— 蒸气的气体常数，蒸气的气体常数，蒸气的气体常数，蒸气的气体常数， R Rg g＝＝＝＝R/MR/M; ; R R —— —— 摩尔气体常数，摩尔气体常数，摩尔气体常数，摩尔气体常数，R R＝＝＝＝8.3×108.3×103 3 J/(mol·K) J/(mol·K)；；；； MM —— —— 蒸气的摩尔质量，蒸气的摩尔质量，蒸气的摩尔质量，蒸气的摩尔质量，100℃100℃时水蒸气的时水蒸气的时水蒸气的时水蒸气的MM＝＝＝＝18kg/mol18kg/mol；；；； T T —— —— 蒸气的热力学温度，蒸气的热力学温度，蒸气的热力学温度，蒸气的热力学温度，KK。
热管的总传热量为热管的总传热量为热管的总传热量为热管的总传热量为热管的总热阻为热管的总热阻为热管的总热阻为热管的总热阻为 热管的传热极限热管的传热极限热管的传热极限热管的传热极限 从图中可以看出：当工作温度低时，最易出现粘性极限及声速极限 而在高温下则应防止出现毛细极限及沸腾极限故热管的工作点必须选择在包络线的下方 什么叫连续流动极限？什么叫连续流动极限？ 对于小热管，如微型热管，对于小热管，如微型热管，以及工作温度很低的热管，热管以及工作温度很低的热管，热管内的蒸气流动可能处于自由分子内的蒸气流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态这时，状态或稀薄、真空状态这时，由于不能获得连续的蒸气流，传由于不能获得连续的蒸气流，传热能力将受到限制热能力将受到限制什么叫冷冻启动极限？什么叫冷冻启动极限？ 在从冷冻状态启动过程中，在从冷冻状态启动过程中，蒸发端来得蒸气可能在绝热段蒸发端来得蒸气可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动发段干涸，热管无法正常启动工作。
工作 什么叫黏性极限？什么叫黏性极限？ 在蒸汽温度低时，工作流在蒸汽温度低时，工作流体的蒸汽在热管内的流动受粘体的蒸汽在热管内的流动受粘性力支配，即热管中蒸汽流动性力支配，即热管中蒸汽流动的粘滞阻力限制了热管的最大的粘滞阻力限制了热管的最大传热能力粘性极限只与工质传热能力粘性极限只与工质物性、热管长度和蒸汽通道直物性、热管长度和蒸汽通道直径有关，而与吸液芯的几何形径有关，而与吸液芯的几何形状和结构形式无关状和结构形式无关 什么叫声速极限？什么叫声速极限？ 热管中的蒸汽流动类似于拉伐热管中的蒸汽流动类似于拉伐尔喷管中的气体流动当蒸发段温尔喷管中的气体流动当蒸发段温度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽度一定，降低冷凝段温度可使蒸汽流速加大，传热量因而加大但当流速加大，传热量因而加大但当蒸发段出口汽速达到声速时，进一蒸发段出口汽速达到声速时，进一步降低冷凝段温度也不能再使蒸发步降低冷凝段温度也不能再使蒸发段出口处汽速超过声速，因而传热段出口处汽速超过声速，因而传热量也不再增加，这时热管的工作达量也不再增加，这时热管的工作达到了声速的极限到了声速的极限 什么叫冷凝极限? 冷凝极限指通过冷凝段汽冷凝极限指通过冷凝段汽-液液交界面所能传递的最大热量。
热管交界面所能传递的最大热量热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在降能力的限制，不凝性气体的存在降低了冷凝段的冷却效率低了冷凝段的冷却效率什么叫沸腾极限? 热管工作中当其蒸发段径向热流热管工作中当其蒸发段径向热流密度很大时，将会使管芯内工作液体密度很大时，将会使管芯内工作液体沸腾当径向热流密度达到某一临界沸腾当径向热流密度达到某一临界值时，对于吸液芯的热管，由于所发值时，对于吸液芯的热管，由于所发生的大量汽泡堵塞了毛孔，减弱或破生的大量汽泡堵塞了毛孔，减弱或破坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流坏了毛细抽吸作用，致使凝结液回流量不能满足蒸发要求量不能满足蒸发要求 什么叫携带极限? 热管中蒸汽与液体的流动方向相热管中蒸汽与液体的流动方向相反，在交界面上二者相互作用，阻止反，在交界面上二者相互作用，阻止对方流动液体表面由于受逆向蒸汽对方流动液体表面由于受逆向蒸汽流的作用产生波动，当蒸汽速度高到流的作用产生波动，当蒸汽速度高到能把液面上的液体剪切成细滴并把它能把液面上的液体剪切成细滴并把它带到冷凝段时，液体被大量携带走，带到冷凝段时，液体被大量携带走，使应当通过毛细芯返回蒸发段去的液使应当通过毛细芯返回蒸发段去的液体不足甚至中断，从而造成蒸发段毛体不足甚至中断，从而造成蒸发段毛细芯干涸，使热管停止工作，这就达细芯干涸，使热管停止工作，这就达到了热管的携带传热极限。
到了热管的携带传热极限 什么叫毛细极限? 在热管运行中，当热管中的汽在热管运行中，当热管中的汽体液体的循环压力降与所能提供的体液体的循环压力降与所能提供的最大毛细压头达到平衡时，该热管最大毛细压头达到平衡时，该热管的传热量也就达到了最大值如果的传热量也就达到了最大值如果这时加大蒸发量和冷凝量，则会因这时加大蒸发量和冷凝量，则会因毛细压头不足使抽回到蒸发段的液毛细压头不足使抽回到蒸发段的液体不能满足蒸发所需要的量，以致体不能满足蒸发所需要的量，以致会发生蒸发段吸液芯的干涸和过热会发生蒸发段吸液芯的干涸和过热导致壳壁温度剧烈升高，甚至导致壳壁温度剧烈升高，甚至“烧烧毁毁” 热管的相容性及寿命热管的相容性及寿命(1)产生不凝性气体 (2)工作液体物性恶化 (3)管壳材料的腐蚀、溶解 热管研究的关键技术热管研究的关键技术 （（1）温度展平（均温技术））温度展平（均温技术）（（2）汇源分隔）汇源分隔 （（3）变换热流密度）变换热流密度 （（4）热控制）热控制(可变导热管可变导热管) （（5）单向导热）单向导热(热二极管热二极管) （（6）旋转元件的传热）旋转元件的传热(旋转热管旋转热管)（（7）微型热管技术）微型热管技术 （（8）高温热管技术）高温热管技术 7.4 热管设计⑴⑴⑴⑴ 设计技术要求；设计技术要求；设计技术要求；设计技术要求；⑵⑵⑵⑵ 工质选择；工质选择；工质选择；工质选择；⑶⑶⑶⑶ 吸液芯选择；吸液芯选择；吸液芯选择；吸液芯选择；⑷⑷⑷⑷ 管壳设计；管壳设计；管壳设计；管壳设计；⑸⑸⑸⑸ 传热量校核。
传热量校核传热量校核传热量校核一、设计技术要求一、设计技术要求⑴⑴⑴⑴ 工作温度工作温度工作温度工作温度 根据电子设备器件及整机的温度控制要求，热管的工作温度根据电子设备器件及整机的温度控制要求，热管的工作温度根据电子设备器件及整机的温度控制要求，热管的工作温度根据电子设备器件及整机的温度控制要求，热管的工作温度范围一般为－范围一般为－范围一般为－范围一般为－50℃50℃～～～～200℃200℃个别器件，如调速管的集电极许用个别器件，如调速管的集电极许用个别器件，如调速管的集电极许用个别器件，如调速管的集电极许用温度可达温度可达温度可达温度可达270℃270℃ ⑵⑵⑵⑵ 传热量传热量传热量传热量 根据器件的耗散功率和工作环境条件确定热管所需传递的根据器件的耗散功率和工作环境条件确定热管所需传递的根据器件的耗散功率和工作环境条件确定热管所需传递的根据器件的耗散功率和工作环境条件确定热管所需传递的功率（由几毫瓦至几十千瓦）功率（由几毫瓦至几十千瓦）功率（由几毫瓦至几十千瓦）功率（由几毫瓦至几十千瓦）⑶⑶⑶⑶ 热特性热特性热特性热特性 按电子器件耗散功率的大小以及温度控制的要求按电子器件耗散功率的大小以及温度控制的要求按电子器件耗散功率的大小以及温度控制的要求按电子器件耗散功率的大小以及温度控制的要求————均温、均温、均温、均温、恒温或控温，来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的几恒温或控温，来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的几恒温或控温，来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的几恒温或控温，来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的几何形状、尺寸。
何形状、尺寸何形状、尺寸何形状、尺寸⑷⑷⑷⑷ 工作环境工作环境工作环境工作环境 根据电子设备的工作环境条件（地面、海上或航空等）来根据电子设备的工作环境条件（地面、海上或航空等）来根据电子设备的工作环境条件（地面、海上或航空等）来根据电子设备的工作环境条件（地面、海上或航空等）来估计重力场对热管工作的影响，同时确定冷凝端与冷却介估计重力场对热管工作的影响，同时确定冷凝端与冷却介估计重力场对热管工作的影响，同时确定冷凝端与冷却介估计重力场对热管工作的影响，同时确定冷凝端与冷却介质的连接方式质的连接方式质的连接方式质的连接方式⑸⑸⑸⑸ 结构尺寸结构尺寸结构尺寸结构尺寸 用户提供的热管外形、尺寸及重量等指标要求用户提供的热管外形、尺寸及重量等指标要求用户提供的热管外形、尺寸及重量等指标要求用户提供的热管外形、尺寸及重量等指标要求 二、工质选择二、工质选择1 1 选择要求选择要求选择要求选择要求 ①①①① 工质与管壳材料及吸液芯应相容，对热管的安全工作工质与管壳材料及吸液芯应相容，对热管的安全工作工质与管壳材料及吸液芯应相容，对热管的安全工作工质与管壳材料及吸液芯应相容，对热管的安全工作和可靠性不产生有害的影响。
和可靠性不产生有害的影响和可靠性不产生有害的影响和可靠性不产生有害的影响 ②②②② 工质的工作温度范围可选在工质的凝固点与临界温度工质的工作温度范围可选在工质的凝固点与临界温度工质的工作温度范围可选在工质的凝固点与临界温度工质的工作温度范围可选在工质的凝固点与临界温度之间，一般以接近工质的沸点为宜之间，一般以接近工质的沸点为宜之间，一般以接近工质的沸点为宜之间，一般以接近工质的沸点为宜 ③③③③ 工质的品质因素高工质的品质因素高工质的品质因素高工质的品质因素高 ④④④④ 重力场条件下的热管，工质的选用应计及毛细力的提重力场条件下的热管，工质的选用应计及毛细力的提重力场条件下的热管，工质的选用应计及毛细力的提重力场条件下的热管，工质的选用应计及毛细力的提升高度 ⑤⑤⑤⑤ 选用的工质无毒、不易爆、使用安全某些器件（如选用的工质无毒、不易爆、使用安全某些器件（如选用的工质无毒、不易爆、使用安全。
某些器件（如选用的工质无毒、不易爆、使用安全某些器件（如行波管）用的工质还应具有良好的电绝缘性能行波管）用的工质还应具有良好的电绝缘性能行波管）用的工质还应具有良好的电绝缘性能行波管）用的工质还应具有良好的电绝缘性能 2 2 适合电子设备用的热管工质适合电子设备用的热管工质适合电子设备用的热管工质适合电子设备用的热管工质 三、吸液芯的选择三、吸液芯的选择 吸液芯的两大作用：吸液芯的两大作用：吸液芯的两大作用：吸液芯的两大作用：①①①① 提供足够的毛细泵力；提供足够的毛细泵力；提供足够的毛细泵力；提供足够的毛细泵力；②②②② 将液体将液体将液体将液体均匀分布在蒸发端上均匀分布在蒸发端上均匀分布在蒸发端上均匀分布在蒸发端上1 1 选择要求选择要求选择要求选择要求①①①① 吸液芯要有足够的毛细泵力；吸液芯要有足够的毛细泵力；吸液芯要有足够的毛细泵力；吸液芯要有足够的毛细泵力；②②②② 具有较高的渗透率；具有较高的渗透率；具有较高的渗透率；具有较高的渗透率；③③③③ 吸液芯的传热特性好；吸液芯的传热特性好；吸液芯的传热特性好；吸液芯的传热特性好；④④④④ 吸液芯具有足够的刚性，以保证和管壁的紧密接触；吸液芯具有足够的刚性，以保证和管壁的紧密接触；吸液芯具有足够的刚性，以保证和管壁的紧密接触；吸液芯具有足够的刚性，以保证和管壁的紧密接触；⑤⑤⑤⑤ 制造简单、可靠、经济型好。
制造简单、可靠、经济型好制造简单、可靠、经济型好制造简单、可靠、经济型好 2 2 吸液芯的类型吸液芯的类型吸液芯的类型吸液芯的类型 3 3 吸液芯的渗吸液芯的渗吸液芯的渗吸液芯的渗透率透率透率透率 4 4 吸液芯的有效吸液芯的有效吸液芯的有效吸液芯的有效导热系数导热系数导热系数导热系数 5 5 吸液芯的特性吸液芯的特性吸液芯的特性吸液芯的特性 6 6 吸液芯的传热系数吸液芯的传热系数吸液芯的传热系数吸液芯的传热系数 四、管壳设计四、管壳设计⑴⑴⑴⑴ 材料的选用；材料的选用；材料的选用；材料的选用；⑵⑵⑵⑵ 结构形式及几何形状的确定；结构形式及几何形状的确定；结构形式及几何形状的确定；结构形式及几何形状的确定；⑶⑶⑶⑶ 管壳强度的校核管壳强度的校核管壳强度的校核管壳强度的校核1 1 材料材料材料材料①①①① 与工质相容（参考表与工质相容（参考表与工质相容（参考表与工质相容（参考表9-89-8选取）；选取）；选取）；选取）；②②②② 湿润性良好；湿润性良好；湿润性良好；湿润性良好；③③③③ 导热系数高；导热系数高；导热系数高；导热系数高；⑤⑤⑤⑤ 足够的机械强度和良好的加工性能。
足够的机械强度和良好的加工性能足够的机械强度和良好的加工性能足够的机械强度和良好的加工性能适合于电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜无氧铜、铝合金、不锈钢等适合于电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜无氧铜、铝合金、不锈钢等适合于电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜无氧铜、铝合金、不锈钢等适合于电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜无氧铜、铝合金、不锈钢等 ①①管径设计管径设计 管径设计的一个基本原则就是管内的蒸汽速度不超过一定的极限值，这个极限值就是在蒸汽通道中最大马赫数不能超过0.2，这时蒸汽流动可以被认为是不可压缩的流体流动，轴向温度梯度很小，可以忽略不计 ②②管壳设计管壳设计热管部工作时，一般处于负压状态（低温热管除外），外界压力一般为大气压力，故可以不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑管壳壁厚由强度计算所得壁厚加上腐蚀裕度得出，端盖则可以按照平板的设计较容易的设计③③吸液芯设计吸液芯设计设计吸液芯的依据是毛细极限的计算④④毛细极限的检验毛细极限的检验 ⑤⑤验算验算验算携带极限、沸腾极限，最后核算Re数，验算是否为层流流动2管壳结构设计管壳结构设计 2 2 管壳结构管壳结构管壳结构管壳结构⑴⑴⑴⑴ 圆管圆管圆管圆管 用光管或在圆管内壁加工成轴向槽或周向螺纹槽。
用光管或在圆管内壁加工成轴向槽或周向螺纹槽用光管或在圆管内壁加工成轴向槽或周向螺纹槽用光管或在圆管内壁加工成轴向槽或周向螺纹槽⑵⑵⑵⑵ 同心圆筒组成同心圆筒组成同心圆筒组成同心圆筒组成 的径向热管的径向热管的径向热管的径向热管 图图图图9-149-14为为为为10kW10kW调调调调速管热管散热器速管热管散热器速管热管散热器速管热管散热器 ⑶⑶⑶⑶ 扁平热管扁平热管扁平热管扁平热管⑷⑷⑷⑷ 柔性热管柔性热管柔性热管柔性热管 小功率电子器件或小功率电子器件或小功率电子器件或小功率电子器件或集成电路用的热管管壳集成电路用的热管管壳集成电路用的热管管壳集成电路用的热管管壳可设计成扁平结构，如可设计成扁平结构，如可设计成扁平结构，如可设计成扁平结构，如图图图图9-159-15所示 当热源与冷却装置当热源与冷却装置当热源与冷却装置当热源与冷却装置需要进行相对移动时，需要进行相对移动时，需要进行相对移动时，需要进行相对移动时，通常在绝热端做成便于通常在绝热端做成便于通常在绝热端做成便于通常在绝热端做成便于弯曲的波纹金属管，而弯曲的波纹金属管，而弯曲的波纹金属管，而弯曲的波纹金属管，而蒸发端和冷凝端均为刚蒸发端和冷凝端均为刚蒸发端和冷凝端均为刚蒸发端和冷凝端均为刚性结构，如图性结构，如图性结构，如图性结构，如图9-169-16。
3 3 管壳强度校核管壳强度校核管壳强度校核管壳强度校核 由于各种管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸气压力由于各种管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸气压力由于各种管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸气压力由于各种管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸气压力（例如，水在（例如，水在（例如，水在（例如，水在200℃200℃时，蒸气压力可达时，蒸气压力可达时，蒸气压力可达时，蒸气压力可达1.52MPa1.52MPa；氨在；氨在；氨在；氨在40℃40℃时可达时可达时可达时可达15.1MPa15.1MPa），因此需对管壳的强度进行校核，以保证），因此需对管壳的强度进行校核，以保证），因此需对管壳的强度进行校核，以保证），因此需对管壳的强度进行校核，以保证热管安全工作热管安全工作热管安全工作热管安全工作 圆形热管管壁的厚度圆形热管管壁的厚度圆形热管管壁的厚度圆形热管管壁的厚度 式中：式中：式中：式中：p p —— —— 最高的饱和蒸气压力，最高的饱和蒸气压力，最高的饱和蒸气压力，最高的饱和蒸气压力，PaPa；；；； d di i —— —— 圆形管内径，圆形管内径，圆形管内径，圆形管内径，mm；；；； [ [σ σ] —— ] —— 管壳材料的许用压力，管壳材料的许用压力，管壳材料的许用压力，管壳材料的许用压力，PaPa。