一文详细了解热管的工作原理

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热管的起源与发展

热管技术早在1942年前就已出现，当时Perkins发明并改进了热虹吸管（一种简单的重力热管）。1942年后，Gaugler提出了现代热管的原理，但未实际应用。直到1963年在位于美国的LosAlamos国家实验室中G.M.Grover再次提出这一原理。并发明了以“热管”命名的传热元件。

热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。以前热管技术一直被广泛应用在宇航、军工等行业，被引入散热器制造业还是近几年的事情。

正是因为有热管技术的存在，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管技术的崭新散热模式。热管技术更为PC的静音时代带来了契机。

热管的工作原理

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。

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，液体再靠毛细力（或重力）的作用，沿多孔材料流回蒸发段。如此循环不已，热量便从一端传到了另一端。

热管基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件,具有以下基本特征:

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。

优良的等温性

热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,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Clausuis-Clapeyron方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。

热流密度可变性

热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积,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,反之亦然。这样可以改变热流密度,解决一些其它方法难以解决的传热问题。

热流方向的可逆性

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它装置。

热二级与热开关性能

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。

恒温特性（可控热管）

普通热管的各部份热阻基本上不随加热量的变化而变,但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。

环境的适应性

热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。

设计热管时需考虑的因素：

热管在当前散热设计中常常使用，包括我们常见的笔记本电脑、手机等，都有热管。在设计热管时需要考虑以下因素：热负荷或要传递的热量；工作温度；管材；工作液；毛细结构；热管的长度和直径；蒸发区的接触长度；补偿区的接触长度；方向；热管弯曲和平整的影响等等。

热管的工作特性

热管的温度分类

热管的应用

热管技术最早应用在空间飞行器上。因为航天器面向和背向太阳时部件温差较大、易于损坏，利用热管可以使其达到热平衡，从而解决问题。目前应用于卫星、航天飞行器、宇宙服等高传热量、小温差的传热等方面。

随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽，特别是微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑CPU的冷却、电路控制板的冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中的应用得到了极大的发展。此外，热管还被用于稳定永久冻土层，在高原地带铺设石油管道或铁路可以使用热管防止冻土层被破坏。

来源：做个热设计

化学电路航天电子芯片材料太阳能热设计控制

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首次发布时间：2022-09-28

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