熱管技術(shù)-管芯的構(gòu)造型式

1、從熱力學的角度看，為什么熱管會擁有如此良好的導熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現(xiàn)熱從高溫處向低溫處傳遞的現(xiàn)象。從熱傳遞的三種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部是被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w，這種液體沸點低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管一段為蒸發(fā)端，另外一段為冷凝端，當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，

2、熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。  熱管的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13×(10負110負4)Pa的負壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細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)應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時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。熱管在實現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中，包含了以下六個相互關(guān)聯(lián)的主要過

3、程：    (1)熱量從熱源通過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）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：    (6)在吸液芯內(nèi)由于毛細作用使冷凝后的工作液體回流到蒸

4、發(fā)段。 熱管的基本特性    熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。    (3)很高的導熱性  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數(shù)量級的熱量。當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學第二定律，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?，徑向并無太大的改善(徑向熱管除外)。   

5、 (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

6、可逆性  一根水平放置的有芯熱管，由于其內(nèi)部循環(huán)動力是毛細力，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反應器及其他裝置。    (5)熱二極管與熱開關(guān)性能  熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，所謂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(guān)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。    (6)恒溫特性(可控熱管)

7、60; 普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變，因此當加熱量變化時，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，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。    (7)環(huán)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(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應長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)，也可用于空間(

8、無重力場)。上圖表示了熱管管內(nèi)汽-液交界面形狀,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 沿管長的變化趨勢.沿整個熱管長度,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壓差相平衡。 Pc(毛細壓頭是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動力,用來克服蒸汽從蒸發(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和重力場對液體流動的壓力降(Pg可以是正值,是負值或為零,視熱管在重力場中的位置而定)。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，故而對熱管的分類也

9、很多，常用的分類方法有以下幾種。    (1)按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分  熱管可分為低溫熱管(2730)、常溫熱管(0250)、中溫熱管250450)、高溫熱管(450一1000)等。    2)按照工作液體回流動力區(qū)分  熱管可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。    (3)按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習慣的劃分方法)可分為銅水熱管、碳鋼。

10、水熱管、銅鋼復合水熱管、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、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。熱管的相容性及壽命    熱管的相容性是指熱管在預期的設(shè)計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的

11、工作性能。相容性在熱管的應用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼水熱管這種高性能、長壽命、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，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)生化學反應或電化學反應，產(chǎn)

12、生不凝性氣體，在熱管工作時，該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來形成氣塞，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  有機工作介質(zhì)在一定溫度下，會逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學反應，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機工作液體易發(fā)生該類不相容現(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，同時存在著溫差、雜質(zhì)等因素，使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動阻力增大，使熱管傳熱

13、性能降低。當管殼被腐蝕后，引起強度下降，甚至引起管殼的腐蝕穿孔，使熱管完全失效。這類現(xiàn)象常發(fā)生在堿金屬高溫熱管中。    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。不同類型的熱管對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縫鋼管，根據(jù)不同需要可以采用不

14、同材料，如銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。管子可以是標準圓形，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。長度可以從幾毫米到l00米以上。低溫熱管換熱器的管材在國外大多采用銅、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。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，焊口光滑乎整質(zhì)量容易保證。

15、    旋壓封頭是國內(nèi)外常采用的一種形式，旋壓封頭是在旋壓機上直接旋壓而成，這種端蓋形式外型美觀，強度好、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。近年來隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，各國研究者在吸液芯結(jié)構(gòu)和理論研究方面做了大量工作，下面對一些典型的結(jié)構(gòu)作出簡賂的介紹。        1管芯型式 

16、;   一個性能優(yōu)良的管芯應具有：    (1)足夠大的毛細抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑    (2)較小的液體流動阻力，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)良好的工藝重復性及可靠性，制造簡單，價格便宜。    管芯的構(gòu)造型式大致可分為以下幾類：    (1)緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)芯此類

17、管芯    多層網(wǎng)的網(wǎng)層之間應盡量緊貼，網(wǎng)與管壁之間亦應貼合良好，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；用細網(wǎng)時毛細抽吸力大但流動阻力亦增加如在近壁因數(shù)層用粗孔網(wǎng)，表面一層用細孔網(wǎng)，這樣可由表面細孔網(wǎng)提供較大的毛細抽吸壓力，通道內(nèi)的粗孔網(wǎng)使流動阻力較小，但并不能改善徑向熱膽大的缺點網(wǎng)芯式結(jié)構(gòu)的管芯可得到較高的毛細力和較告的毛細提升高度，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，工藝重復性差又不能適應管道彎曲的情況，故在細長熱管中逐漸由其它管芯取代。 

18、;   (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抽吸力，并較大地改善了徑向熱阻，克服了網(wǎng)芯工藝重復性差的缺點，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)壁開軸向細槽以提供毛細壓頭及液體國流通道，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壓頭較小，但液體流動阻力甚小，因此可達到較高的軸向傳熱能力，徑向熱

19、阻較小，工藝重復性良好，可獲得精確幼兒何參數(shù)，因而可較正確地計算毛細限，此種管子彎曲后性能基本不變，但由于其抗重力工作能力極差，不適于傾斜(熱端在上)工作對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兼顧毛細抽吸力及滲透率為了有高的毛細抽吸力，就要選用更細的網(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，可是其徑向熱陰大組合管芯躍能兼顧毛細力和滲透率，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抽吸作用，另一部分起液體回流通道作用。 軸向槽道式管芯 組合管芯  單層及多層網(wǎng)管芯