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(yīng)用學(xué)科：電力（一級(jí)學(xué)科）；通論（二級(jí)學(xué)科）

熱管技術(shù)是1963年美國(guó)洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)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(nèi)抽成1.3×(10負(fù)1－－－10負(fù)4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)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(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)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(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)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(nèi)的（液－－汽）分界面上蒸發(fā)；

(3)蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽．液分界面上凝結(jié)：

(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(nèi)由于毛細(xì)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(nèi)部工作液體相變來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。

1、很高的導(dǎo)熱性

熱管內(nèi)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(dǎo)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(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)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，存在著一些傳熱極限；熱管的軸向?qū)嵝院軓?qiáng)，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(nèi)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(jù)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(dú)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(nèi)部循環(huán)動(dòng)力是毛細(xì)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(wèi)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(yīng)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(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)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?zé)峁?

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(dāng)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(dǎo)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(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。

7、環(huán)境的適應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應(yīng)長(zhǎng)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)曲線圖

左圖表示了熱管管內(nèi)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(nèi)蒸氣溫度 T v 沿管長(zhǎng)的變化趨勢(shì).沿整個(gè)熱管長(zhǎng)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(xì)壓差相平衡。

△ Pc(毛細(xì)壓頭—是熱管內(nèi)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(duì)液體流動(dòng)的壓力降(△Pg可以是正值,是負(fù)值或?yàn)榱?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(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處，故而對(duì)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(nèi)工作溫度區(qū)分 熱管可分為低溫?zé)峁?—273－－－0℃)、常溫?zé)峁?0—250℃)、中溫?zé)峁躘250－－－450℃)、高溫?zé)峁?450一1000℃)等。

(2)按照工作液體回流動(dòng)力區(qū)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(zhuǎn)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(xí)慣的劃分方法)可分為銅—水熱管、碳鋼。水熱管、銅鋼復(fù)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(jié)構(gòu)形式區(qū)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(yù)期的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)用中具有重要的意義。只有長(zhǎng)期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長(zhǎng)期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)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(yīng)問(wèn)題，才使得碳鋼—水熱管這種高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的熱管得以在工業(yè)中大規(guī)模推廣使用。

影響熱管壽命的因素很多，歸結(jié)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(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，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(jī)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(jī)工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類(lèi)等有機(jī)工作液體易發(fā)生該類(lèi)不相容現(xiàn)象。

(3)管殼材料的腐蝕、溶解 工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，同時(shí)存在著溫差、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(dāng)管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)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(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫?zé)峁苤小?/span>

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(duì)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度可以從幾毫米到l00米以上。低溫?zé)峁軗Q熱器的管材在國(guó)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(jié)構(gòu)形式，它與熱管舶連接方式也因結(jié)構(gòu)形式而異。端蓋外圓尺寸可稍小于管殼內(nèi)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(guó)內(nèi)外常采用的一種形式，旋壓封頭是在旋壓機(jī)上直接旋壓而成，這種端蓋形式外型美觀，強(qiáng)度好、省材省工，是一種良好的端蓋形式。

4 吸液芯結(jié)構(gòu)

吸液芯是熱管的一個(gè)重要組成部分。吸液芯的結(jié)構(gòu)形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。近年來(lái)隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)研究者在吸液芯結(jié)構(gòu)和理論研究方面做了大量工作，下面對(duì)一些典型的結(jié)構(gòu)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(yīng)具有：

(1)足夠大的毛細(xì)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(fù)性及可靠性，制造簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

5.2 管芯的構(gòu)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(yīng)盡量緊貼，網(wǎng)與管壁之間亦應(yīng)貼合良好，網(wǎng)層數(shù)有l(wèi)至4層或更多，各層網(wǎng)的目數(shù)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(xì)網(wǎng)時(shí)毛細(xì)抽吸力大但流動(dòng)阻力亦增加．如在近壁因數(shù)層用粗孔網(wǎng)，表面一層用細(xì)孔網(wǎng)，這樣可由表面細(xì)孔網(wǎng)提供較大的毛細(xì)抽吸壓力，通道內(nèi)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(jié)構(gòu)的管芯可得到較高的毛細(xì)力和較告的毛細(xì)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(fù)性差又不能適應(yīng)管道彎曲的情況，故在細(xì)長(zhǎng)熱管中逐漸由其它管芯取代。

(2)燒結(jié)粉末管芯

由一定目數(shù)的金屬粉末燒結(jié)在管內(nèi)壁面而形成與管壁一體的燒結(jié)粉末管芯，也有用金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面上的管芯．此種管芯有較高的毛細(xì)抽吸力，并較大地改善了徑向熱阻，克服了網(wǎng)芯工藝重復(fù)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(nèi)壁開(kāi)軸向細(xì)槽以提供毛細(xì)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(xì)壓頭較小，但液體流動(dòng)阻力甚小，因此可達(dá)到較高的軸向傳熱能力，徑向熱阻較小，工藝重復(fù)性良好，可獲得******幼兒何參數(shù)，因而可較正確地計(jì)算毛細(xì)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(duì)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(xì)抽吸力及滲透率，為了有高的毛細(xì)抽吸力，就要選用更細(xì)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(xì)力和滲透率，從而能獲得高的軸向傳熱能力，而且大多數(shù)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(xì)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(gòu)成熱管的三個(gè)主要組成部分是管殼、管芯和工質(zhì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)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(jī)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(yàn)

實(shí)際制造的時(shí)候往往能達(dá)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(jié)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(jī)械加工（管殼、端蓋，或者直接采購(gòu)）——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(yàn)

關(guān)鍵工序?yàn)椋?、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(yīng)器

高效沸騰床取熱器

微型熱管在臺(tái)式電腦中的應(yīng)用