分享︱超导热管结构原理及应用

1、 热管起源及发展历程

1963年：发明于美国洛斯-阿洛莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)。

1964-1970年：理论研究高峰期，近千篇论文发表。

1970-1980年：机密性应用研究，空间核电源、电子仪器 散热、航天飞行器均温等节能应用性研究，热管换热器， 太阳能发电，高效化学反应器。

1980-2000年：电子电器散热、计算机CPU散热、大型空气预热器、高温热管换热器、高温高压化学反应器。

2000-2010年：高效微型热管技术、高温大型热管技术、 高效热管反应设备技术、各种高效热管换热装备。

2、热管结构及工作原理结构

典型的热管由管壳、吸液芯、端盖和工作液体组成，将管内抽成1.3×(10-1~10-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中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。工作过程：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，液体沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环，热量由热管的一端传至另一端。

3、热管传热过程   

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液-汽分界面；

(2)液体在蒸发段内的液-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-液分界面上凝结；

(5)热量从汽-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。

4、热管超高导热性能   

30mm直径、1m长铜棒、传热负荷1KW, 传热温差需要900℃ 相同直径、相同长度、相同传热负荷，传热温差仅10℃ （热管设计重要参数：轴传热能力(W-m)和蒸发段径向热流密度 (W/cm2),轴传热量(W)）

5、热管的基本特性

(1)高导热性能：很高的导热性能是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。

(2)优良的等温性能：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ClausuisClapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
(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。

(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器及其他装置。
(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。

(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。但人们发展了另一种热管——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。

(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冷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)。

(8)免运行维护性能：热管运行不需要外部提供动力。

6、热管技术特点及应用

(1)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温度场展平成为一个均匀的温度场。设有一具有不均匀温度场的圆柱体，其展开表面，在圆柱体的正反两面很大的温差t1-t2(t1﹥﹥t2),但如设法在圆柱体的表面上布置一定量的环状热管，则圆柱体表 面温度将变得很小。又如在化学工业中，经常遇到化学反应器内部的不等温性问题，特别是固定床催化反应器的不等温性将影响化学产品的产率和质量。如果我们用热管控制化学反应热均衡，就可能获得一个较为均匀的温度场。图中(a)为不均匀温度的反应床层，(b)为使用热管的反应床层。均温技术在航天飞行器及电子设备仪器仪表板方面都有重要的应用。

(2)汇源分隔，利用热管热源和热汇(冷源)分隔在两个场所进行热交换，分隔的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以从几十厘米到100米，这种技术在工业生产的工程换热中有十分重要的意义。如图中(a)是一般间壁换热方式，此时如管壁有微小的泄漏，冷热流体将立即互混，迫使生产停车。但采用热管换热器如图(b)所示，则源、汇两种流体将不再有互混的可能。

(3)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。如此可使单位加热和冷却传热面积上的热流量发生变化。图中(a)为蒸发段长于冷凝段，且附加翅片，显然蒸发段的传热面积远大于冷凝段，传热量Q一定时， 蒸发段的热流密度远小于冷凝段的热流密度，图(b)则为相反的情况。热流密度变换在工程中有重要的应用，例如可以用来控制管壁温度以避免出现的露点腐蚀。

(4)热控制(可变导热管),可变导热管为热阻可以改变的热管， 可用来温度控制。图示为充气式可变导热管，热管的冷凝段充有一定 量的不凝性气体，当热管工作时，热管有两个区——①和②,①为工作液体的饱和蒸汽区，②为不凝性气体区。这两个区的交界面位置是可以变动的，当蒸发段热源温度高于额定值时，输入的热量就将增大，管内饱和蒸汽压力升高，不凝性气体被压缩，交界面向右移动，冷凝段传热面积加大，热量输出也随之增大管内饱和蒸汽压力下降，交界面位置左移，直至达到平衡为止。当热源温度低于额定值时，蒸发段输入的热量减小，管内饱和蒸汽压力下降，不凝性气体膨胀，交界面向左移动，冷凝段传热面积缩小，热量输出也随之减小，管内饱和蒸汽压力回升，交界面位置右移，达到额定值时维持平衡。因此热量输入增加，热量输出也增加；热量输入减少，热量输出也减少。如此可保持热管的工作温度基本不变。在工程上可变导热管技术可以用来控制热源或热汇的温度。

(5)单向导热(热二极管),利用重力热管的传热原理，可将热管看作为单向导热元件。当蒸发段在冷凝段的下方，热管可 以正常工作；当冷凝段在蒸发段的下方， 热管则不能工作。热二极管原理在太阳能及地土永冻工程中有很重要的应用。

热虹吸管

(6)旋转元件的传热(旋转热管), 一般热管是一种静止的传热元件，旋转热管则是在回转运动中传热的元件，其原理是热管内工作液体依靠转动中的离心力从冷凝段向蒸发段回流，或是靠液**差产生的重力。旋转热管在工程中可用作高速回转轴件的传热元件，如电机轴、高速钻头的冷却。

旋转热管与回转热管

(7)微型热管技术，随着电子、电器工程的迅速发展，微型电子器件及元件的散热已成为一个重要的问题，微型热管的研究正是适应于这种要求而发展。微型热管的概念与常规热管概念有所不同，它的毛细力不是由吸液芯产生而是由蒸汽通道周边的液缝的弯月面提供的。蒸汽通道的截面有各种形状，有三角形、矩形、正方形、梯形等等，管内无吸液芯。微型热管在半导体芯片、集成电路板、笔记本电脑CPU的散热方面有很重要的应用。

微型蒸汽管道截面

微型热管

(8)高温热管技术，在温度超过700℃的换热条件下，使用普通的换热器会有许多困难，如温差应力、材料高温蠕变、高温腐蚀等问题。高温热管可带来很大的方便，温差应力小，结构形式简单，不易受高温破坏，单根热管破坏不影响设备整体性能等诸多优点。高温热管的工作液体是液态金属(钠、钾、锂、铯等),其特点是饱和蒸汽压力很低，所以在高温条件下，工作的热管只承受高温而不承受管内高压。高温热管在核工程、太阳能电站、斯特林发动机、高温热风炉、高温渣口、赤热体取热等方面有着重要的用途。

7、热管应用

7.1 永冻层热管

7.2 CPU散热器

7.3 青藏铁路两侧热棒