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1、热管散热的技术与原理1引言传统散热方式主要是空气冷却、强制风冷散热以及水冷散热。空气冷却也称自然冷却，一般是将电子元器件的发热核心部位与型材散热器相接触，通过 空气的自然对流方式将热传导出来。其优点是结构简单、安装方便、成本低廉。 缺点是散热功率低。(2) 风冷散热这是目前最普遍的散热方式，一般是将电力电子元器件的发热核心部位与散热器 相接触将热传导出来，然后再通过风扇转动，来加强空气的流动，通过强制对流 的方式将散热片上的热传至周围的环境。优点：结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟。缺点：降温的效果有限，不能达到令人满意的程度，并且具有噪音，风扇的使用 寿命也有限制。(3) 水冷散热其原理
2、是利用水泵驱动水流经过热源，进行吸热传递。优点：水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可以解决几百 至数千瓦的散热问题，是风冷效果所不能比拟的。因为即使是散热效率最高的涡 轮风扇风冷散热，其温度比水冷散热也要高大约10C ；相比于风冷散热，水冷 散热因为没有风扇，所以不会产生振动现象，也无风冷散热的高噪音。缺点：需要良好的通风环境，并且体积大，安装和维护不方便，容易滴漏、安全 性不高，价格一般也相对较高。(4) 热管散热 热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体 的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。 具有极高的导热性
3、、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离 传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、igbt、igct等大功 率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。通过对上述几种散热方式的分析，我们不难看出，热管散热相对于其他几种传统 散热方式存在以下的优势：热管散热技术具有散热效果好，热阻相对小，使用寿命长，传热快的优点。热管的热导系数是普通金属的100倍以上；传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发端和冷凝端；优良的热响应性。热管内汽化的蒸汽能以接近音速的速度传输，从而有效的 提高了导热效果；结构简单紧凑，重量轻，体积小，维护方便；无功耗、无噪音、符合工业“绿色”
4、的要求；可以在无重力场的环境下使用。综上所述：热管传热利用热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将 发热物体的热量迅速传递到热源以外。采用热管技术使得散热器即便采用低转 速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热 效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解 决，随着热管加工工艺的不断改善，其可靠性、安全性、耐用性将会更加提高， 而成本和价格也会进一步降低。热管散热器将有着传统散热器所无法比拟的优 势，它的出现开辟了散热行业的新天地。2热管的基本工作原理2.1工作原理物体的吸热、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
5、处 向低温处传递的现象。热传递有三种方式：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。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体（即工 质），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 管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段 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
6、开来。2.2组成与工作过程典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3X（10-110-4）pa的负 压后充以适量的工作液体（即工质），使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充 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细芯中的液体蒸发 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一端。 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(
7、液一汽)分界面;(2) 液体在蒸发段内的(液一汽)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(汽一液)分界面上凝结；(5) 热量从(汽一液)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。2.3工作条件图1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tw 和管内蒸气温度tv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。图1热管管内汽-液交界面质量流、压力和温度沿管长的变化示意图热管正常工作的必要条件是：pc N Apl +Apv
8、+Apg其中 pc：毛细压头一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Apv，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（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）。3热管的基本特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。3.1很高的导热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，可能违反热力学第二定律，并 且热管的传热能力受到各种因素的限制
9、，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）。3.2优良的等温性热管内腔的蒸汽处于饱和状态，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热流密度可变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。3.4热流方向可逆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
10、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容器及其他装置。3.5热二极管与热开关性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。3.6恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热 管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管一一可变导热管，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
11、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。3.7环境的适应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)。4热管的分类由于热管的用途、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) 按照热管管内工作温度可分为：低温热管(-2730C)、常温热管(0250C)、中温热管(250450C)、高
12、温热管(4501000C)等。(2) 按照工作液体回流动力可分为：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(3) 按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为：铜一 水热管、碳钢一水热管、铜钢复合一水热管、铝一丙酮热管、碳钢一萘热管、不 锈钢一钠热管等等。(4) 按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热 管、平板热管、径向热管等。(5) 按热管的功用划分可分为：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。5热管的相容性及寿命热管的相容性是指热管在预期的设
13、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。碳钢一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，才使得碳钢一水热管这种高性能、长寿 命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面， 即：产生不凝性气体，工作液体热物性恶化，管壳材料的腐蚀、溶解。(1) 产生不凝性气体 由于工作液体与热管材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，
14、在热管 工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷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) 工作液体物性恶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，或与热管壳体材料发生化学反应，使工作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) 管壳材料的腐蚀、溶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，弓I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
15、。6热管制造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。6.1管壳热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不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100m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。6.2 端盖热管的端盖具有多种结构形式，它与热管连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后
16、，管壳的突出部分可作为氯弧焊的熔焊部分，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。6.3吸液芯结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赂的介绍。一个性能优良的管芯应具有：(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；(
