第9章熱管技術

及其工程應用

1963年，熱管誕生于美國LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover之手，它巧妙地利用了氣液變化過程中的吸放熱原理，具備了超過任何已知金屬的導熱能力.

熱管技術的原理，主要是利用工作流體的蒸發與冷凝來傳遞熱量（熱管工作流體涵蓋從低溫應用的氦、氮，到高溫應用的鈉、鉀等液態金屬；較為常見的熱管工作流體則有氨、水、丙酬及甲醇等）。熱管一般是由管殼、吸液芯和端蓋三個部分組成。將管內抽至較高的真空度后充以適量的工作流體，使得緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用圖7.1熱管示意圖1—管殼；2—管芯；3—蒸汽腔；4—工作液

9.1熱管的組成

熱管：是一種傳熱性極好的人工構件，常用的熱管由三部分組成：主體為一根封閉的金屬管（管殼），內部空腔內有少量工作介質（工作液）和毛細結構（管芯），管內的空氣及其他雜物必須排除在外。熱管工作時利用了三種物理學原理：

⑴在真空狀態下，液體的沸點降低；

⑵同種物質的汽化潛熱比顯熱高的多；

⑶多孔毛細結構對液體的抽吸力可使液體流動。從傳熱狀況看，熱管沿軸向可分為蒸發段，絕熱段和冷凝段三部分。

9熱管技術及其工程應用

（1）熱管的管殼是受壓部件，要求由高導熱率、耐壓、耐熱應力的材料制造。在材料的選擇上必須考慮到熱管在長期運行中管殼無腐蝕，工質與管殼不發生化學反應，不產生氣體。管殼材料有多種，以不銹鋼、銅、鋁、鎳等較多，也可用貴重金屬鈮、鉭或玻璃、陶瓷等。管殼的作用是將熱管的工作部分封閉起來，在熱端和冷端接受和放出熱量，并承受管內外壓力不等時所產生的壓力差。9熱管技術及其工程應用（2）熱管的管芯是一種緊貼管殼內壁的毛細結構，通常用多層金屬絲網或纖維、布等以襯里形式緊貼內壁以減小接觸熱阻，襯里也可由多孔陶瓷或燒結金屬構成。如下圖所示為幾種不同的管芯的結果示意圖9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用燒結式熱管制造工藝燒結式熱管，顧名思義，其毛細結構是通過高溫下銅粉燒結制造而成的。我們最常見的水介質燒結式熱管制造流程大致為：選取99.5％純度的銅粉，銅粉單體粒徑一定要控制在75～150微米。首先使用工具將外徑5mm紅銅管內部清除干凈，去除毛刺，接著將銅管放到稀硫酸中使用超聲波清洗。清洗干凈之后我們將得到一根內外壁皆十分光滑、無氧化物的銅管。此時將一根細鋼棍插到銅管里（需要工具精確地將鋼棍兒固定在銅管的中央，以方便銅粉均勻填充），將銅管底部用銅片暫時封閉。接著就可以把純銅粉倒入銅管了。裝填完畢之后就可以拿到燒結爐進行燒結。在燒結過程中，溫度的把控也很重要。一般燒結爐峰值溫度控制在800～850度（根據熱管產品要求的滲透率規定）。燒結完成之后使用一個輔助工具把銅管加緊，使用工具把鋼棍抽出即可。（3）熱管的工作液要有較高的汽化潛熱、導熱系數，合適的飽和壓力及沸點，較低的粘度及良好的穩定性。工作液體還應有較大的表面張力和潤濕毛細結構的能力，使毛細結構能對工作液作用并產生必須的毛細力。工作液還不能對毛細結構和管壁產生溶解作用，否則被溶解的物質將積累在蒸發段破壞毛細結構。9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用如圖：當熱管的一端受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體在沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不已，熱量便從一端傳到了另一端！

在這一熱量轉移的過程中，具體包含了以下六個相互關聯的過程：（1）熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液的吸液芯傳遞到液-氣分界面；（2）液體在蒸發段的液-氣分界面上蒸發；（3）蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流向冷凝段；（4）蒸汽在冷凝段內的液-氣分界面上凝結；（5）熱量從液-氣分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；（6）在吸液芯內由于毛細作用（或重力等）是冷凝后的工作也體回流到蒸發段。9熱管技術及其工程應用熱管工作過程動畫注意：熱管中的水會因為內部低壓而在100℃以下就沸騰蒸發。水蒸汽流熱量輸入液態水蒸發液體由于重力或吸附力回流水蒸汽冷凝熱量散失9.2熱管的特性(1)很高的導熱性熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。(2)優良的等溫性

熱管內腔的蒸汽是處于飽和狀態，飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小，溫降亦很小，因而熱管具有優良的等溫性。(3)熱流密度可變性

熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱面積，這樣即可以改變熱流密度。9熱管技術及其工程應用(4)熱流方向的可逆性

一根水平放置的有芯熱管，由于其內部循環動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發段，而另一端向外散熱就成為冷凝段。(5)熱二極管與熱開關性能

熱二極管就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；熱開關則是當熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。9熱管技術及其工程應用(6)恒溫特性普通熱管的各部分熱阻基本上不隨著熱量的變化而變化，因此熱管各部分的溫度亦加熱量變化。但可變導熱管，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，這樣熱管在加熱量大幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。

(7)環境的適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術刀等等，熱管也可做成分離式的以適應長距離或冷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)，也可用于空間(無重力場)。9熱管技術及其工程應用9.3熱管的分類（1）按照工作液體回流動力區分有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。（2）按照熱管管內工作溫度區分有低溫熱管、常溫熱管、中溫熱管、高溫熱管等。（3）按照管殼與工作液體的組合區分有銅-水熱管、碳鋼-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管、不銹鋼-鈉熱管等。（4）按照結構形式區分有普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。（5）按照熱管的功用劃分有傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用一.兩相閉式熱虹吸管兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管，簡稱熱虹吸管。其結構和原理如右圖所示。與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內沒有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發段。其結構簡單、制造方便、成本低廉、而且傳熱性能優良、工作可靠，因此他在地面上的各類傳熱設備中都可以作為高效傳熱元件，其應用領域非常廣泛。9熱管技術及其工程應用二.旋轉熱管旋轉熱管的概念是由Gray于1969年首次提出的，他分析了旋轉熱管較普通熱管具有更強的傳熱能力。旋轉熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉件，因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉零部件，如電機轉子，發動機電動機轉軸等的冷卻，具有實際應用價值。9熱管技術及其工程應用

三.分離式熱管

分離式熱管的結構如左圖所示，其蒸發段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個自然循環回路。工作時，在熱管內的工質匯集在蒸發段，蒸發段受熱后，工質蒸發，產生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段釋放出潛熱而凝結成液體，在重力作用下，經液體下降管回到蒸發段，如此循環往復運行。分離式熱管的冷凝段必須高于蒸發段，液體下降管與蒸汽上升管之間會形成一定的密度差，這個密度差所能提供的壓頭與冷凝段和蒸發段的高度差密切相關，它用以平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著系統的正常運行而不再需要外加動力。

9熱管技術及其工程應用9.4熱管的制造過程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。

管殼：熱管的管殼大多數為金屬無縫鋼管，根據不同的應用需要可以采用不同的材料。管子可以多種不同形狀。管徑可以從2mm到200mm，甚至更大。長度可以是從幾毫米到100米以上。工業熱管換熱器所采用的管子一般為標準尺寸的無縫鋼管。低溫熱管換熱器的管材一般為銅或鋁，滿足與工作液體相容性的要求。對于以水為工作液體的熱管換熱器常采用內部為銅管外部為鋼管的復合管，這樣既滿足了管子的強度、剛度又使其具有了很強的抗腐蝕能力。但在后來解決了碳鋼-水不相容的問題后，碳鋼-水熱管逐漸取代了復合熱管，并已經大量應用取得了很好的效果。

9熱管技術及其工程應用端蓋：熱管的端蓋具有多種結構形式，它與熱管的連接方式也因結構形式而異。

密封隔板：密封隔板是指隔開冷、熱氣流通道的密封裝置。用于熱管換熱器的熱管一般是由帶翅片的熱管組成，當帶翅片的熱管穿過中央管板時，翅片管與管板之間便形成了一個特殊結構。由于管子較多，管子一般很小，又要便于安裝和拆卸，因此這種密封技術具有一定的特殊性，設計也較困難。根據不同的使用場合，密封程度也有很大的不同，因此結構也相差很大。在實際應用時，應根據制造成本，采用合理的密封結構，提高工效、降低成本。9熱管技術及其工程應用吸液芯結構：吸液芯是一個重要的組成部分。吸液芯的結構形式直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。近年來熱管技術得到了快速的發展，各種形式的吸液芯液得到了廣泛的應用。常用的有：網狀吸液芯、溝槽吸液芯、線狀吸液芯、螺旋狀吸液芯、不等寬槽吸液芯、不等厚吸液芯、干道吸液芯等。吸液芯的支撐結構：蛇行彈簧是吸液芯常用的支撐結構,它結構簡單，安裝容易，效果良好。常用圓鋼絲或扁剛絲制成。9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用熱管是最有效的傳熱元件之一，它可以將大量熱量通過很小的截面積而遠距離地傳輸，無需外加動力。熱管具有很高的導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向的可逆性、熱二極管與熱開關性能和環境的適應性等特點。最初，熱管技術作為尖端技術首先被研究應用于空間飛行器上。1965年，一根不銹鋼-水熱管作為高效均溫傳熱設備首次被送入地球衛星軌道并運行成功。因熱管的高效傳熱性和很高的均溫性，熱管現已廣泛應用于化工、動力、冶金、輕工、玻璃和陶瓷等領域的高效傳熱傳質設備中。熱管作為一種高效傳熱和均溫元件，應用于家用空調蒸發器前后中，可以增加空調的除濕量。

9.5熱管在空調中的應用9熱管技術及其工程應用熱管作為一種高效傳熱和均溫元件，應用于家用空調蒸發器前后中，可以增加空調的除濕量。

工作原理9熱管技術及其工程應用工作過程：在熱管蒸發段，管內液態冷媒吸熱蒸發，部分液態冷媒轉變為冷媒蒸汽。冷媒蒸汽在管內沸騰動力微小壓差的作用下，通過連管a進入冷凝段。在冷凝段，冷媒蒸汽放熱凝結為液態冷媒，液態冷媒在重力作用下聚集于管內底部。液態冷媒在熱管冷凝段高于熱管蒸發段而形成的重力作用下通過連管b返回到熱管蒸發段。如此往復循環。9熱管技術及其工程應用整個循環過程都是工質自行循環，不需外加壓縮動力。熱管的整個工作過程都是在飽和壓力下進行，因而熱管的蒸發段和冷凝段的工作溫度是相近的。利用熱管均溫性，室內較高的回風首先經熱管蒸發段預冷，再經空調蒸發器過冷，然后經過與熱管蒸發段溫度相近的熱管冷凝段回升到人體較為舒適的溫度后送風

9熱管技術及其工程應用9熱管技術及其工程應用熱管結構本熱管是由蛇行翅片管密閉而成，屬分離型重力熱管。也就是在原空調蒸發器前后各添加一個單排翅片管（即與蒸發器結構相同的單排），把這兩個單排翅片管通過歧管分別連接成四個獨立密閉循環，每個密閉循環在折彎連管上各焊接一根毛細工藝管e。熱管冷凝器略高于蒸發器19.5mm，使熱管冷凝器和蒸發器的連管與水平方向夾角為15°。熱管內充注R22，每個熱管充注量相同，每個熱管都是一個獨立密閉循環，即由圖二中所示的abcd的循環，不參與空調機組冷媒循環。9熱管技術及其工程應用熱管灌注工藝在連管彎頭處，焊接一根毛細