熱管技術(shù)的發(fā)展概況-

1、熱管技術(shù)的發(fā)展概況摘要：熱管技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，并在此后得到了廣泛的研究與充分的發(fā)展。本文通過(guò)綜合現(xiàn)有的資料，簡(jiǎn)要介紹了熱管發(fā)展的歷程，熱管的分類和工作原理，熱管目前的研究進(jìn)展以及應(yīng)用舉例。希望讀者對(duì)于其有一個(gè)全面充分的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞:熱管技術(shù) 發(fā)展 原理 研究現(xiàn)狀 應(yīng)用Abstract: Heat pipe technology appeared in 1960s, and thereafter has been widely studied and fully development. By integrating the

2、existing data, I briefly introduced the history of development of heat pipe in this paper. Meanwhile, I also introduced the classification and the working principle of heat pipe, the research progress and the application of heat pipe. I hope the readers to hav

3、e a comprehensive understanding of it.一、 發(fā)展歷程回顧：1964年，世界上第一支熱管誕生于美國(guó)的洛斯·阿拉莫斯(Los A lamos）科學(xué)實(shí)驗(yàn)室；1967年該實(shí)驗(yàn)室首次將一支實(shí)驗(yàn)用水熱管送上了地球衛(wèi)星軌道；1968年熱管第一次用于測(cè)地衛(wèi)星GEOS-，用來(lái)控制儀器的溫度。除空間技術(shù)外，在這一時(shí)期熱管開(kāi)始相繼為電子工業(yè)所采用，用來(lái)冷卻電子管、半導(dǎo)體元件和集成電路板等電子元件，并應(yīng)用于機(jī)械、電機(jī)部件的冷卻。20 世紀(jì)70年代熱管應(yīng)用于醫(yī)用手術(shù)刀，隨后應(yīng)用的新領(lǐng)域是能源工程。國(guó)外用于余熱回收和空調(diào)的熱管換熱器已部分商品化。并開(kāi)展了熱管技術(shù)在

4、太陽(yáng)能和地?zé)崂梅矫娴难芯俊?972年我國(guó)研制出第一根熱管，它是以鈉為工質(zhì)的，接著研制了以氨、水、導(dǎo)熱油為工質(zhì)的熱管。1974年以后，熱管在節(jié)約能源和新能源開(kāi)發(fā)方面的研究得到了充分的重視，人們逐漸開(kāi)始用熱管組成換熱器來(lái)回收廢熱，并將其用于工業(yè)以節(jié)約能源。美國(guó)和日本在這方面所取得的進(jìn)展最為顯著。1980年美國(guó)Q-Dot公司生產(chǎn)了使用熱管收集廢熱的鍋爐，日本帝人工程公司也成功地用熱管做成鍋爐給水預(yù)熱器，解決了排煙的露點(diǎn)腐蝕問(wèn)題。之后，各國(guó)的熱管換熱器研制工作迅猛展開(kāi)，回轉(zhuǎn)式、分離式等新的結(jié)構(gòu)型式相繼出現(xiàn)，并日趨工業(yè)化、大型化。 Cotter在1984年較完整地提出了微型熱管的理論，為微型

5、熱管的研究與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。毛細(xì)泵回路CPL(Capillary pumped loops)和回路熱管系統(tǒng)LHP(Loop heat pipe systems)以其靈活的額結(jié)構(gòu)、廣泛的應(yīng)用面，以及小溫差下的高傳熱效率，引起了整個(gè)熱管界的普遍關(guān)注，成為理論研究和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。70年代以來(lái)，熱管技術(shù)飛速發(fā)展，各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、高等院校、公司及廠礦均在這方面開(kāi)展了大規(guī)模的研究。國(guó)際間、地區(qū)間及各國(guó)自身的熱管技術(shù)交流活動(dòng)日益頻繁，1973年在德國(guó)斯圖加特(Stuttgart)召開(kāi)了第一屆國(guó)際熱管會(huì)議后，1976年在意大利的波倫亞(Bologna)召

6、開(kāi)了第二屆國(guó)際熱管會(huì)議，1978年在美國(guó)加尼福利亞州(Palo Alto)召開(kāi)了第三屆國(guó)際熱管會(huì)議，此后1981年在英國(guó)倫敦(London)，1984年在日本筑波(Tuskuba)，1987在法國(guó)格林貝爾(Grenoble)，1990年在前蘇聯(lián)明斯克(Minsk)，1992年在中國(guó)北京，1995年在美國(guó)新墨西哥州（Albuquerque），1997在德國(guó)斯圖加特(Stuttgart)，1999年在日本東京(Tokyo)分別召開(kāi)了第四至十一屆國(guó)際熱管會(huì)議。除此之外，中日雙方從1985年至1994年分別召開(kāi)了四屆雙邊及多邊熱管技術(shù)研討會(huì)，1996年在澳大利亞墨爾本(Melboume)召開(kāi)

7、的多邊會(huì)議正式發(fā)展為國(guó)際熱管技術(shù)研討會(huì)。熱管自1964年正式在美國(guó)發(fā)明問(wèn)世 ，至今已有40多年的歷史，作為一種新的傳熱元件，已不年輕，但作為一項(xiàng)傳熱技術(shù)，則仍處于幼兒時(shí)期。目前關(guān)于熱管的理論研究逐漸受到冷遇，而應(yīng)用技術(shù)的研究正不斷上升，同時(shí)新的應(yīng)用專利也不斷出現(xiàn)。熱管應(yīng)用的重點(diǎn)由航天轉(zhuǎn)移到地面，由工業(yè)化應(yīng)用擴(kuò)展到民用產(chǎn)品。目前國(guó)際發(fā)展最快的熱管技術(shù)為微型熱管技術(shù)，微型熱管的管徑通常只有12mm，且具有各種形狀和尺寸 ， 用于冷卻電子裝置的芯片、筆記本計(jì)算機(jī)的CPU、大功率晶體管、可控硅整流器、復(fù)印機(jī)內(nèi)發(fā)熱元件、電路控制板和印刷電路板(PCB）。這些熱管的市場(chǎng)目前被日本及美國(guó)3家大公司所壟斷。美

8、國(guó)的熱管換熱器應(yīng)用近兩年呈上升趨勢(shì)，主要應(yīng)用于家用空調(diào)。值得注意的是熱管元件及熱管換熱器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)系列正在不斷完善，這將給大規(guī)模推廣應(yīng)用帶來(lái)極大方便。我國(guó)的熱管技術(shù)開(kāi)發(fā)研究一開(kāi)始就具有明確的目標(biāo)，即為工業(yè)化服務(wù)，因此重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)碳鋼-水熱管換熱器。經(jīng)過(guò)30年的努力，我國(guó)的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用已處于國(guó)際先進(jìn)水平。目前，氣-氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器等熱管節(jié)能產(chǎn)品已廣泛用于冶金、石油、化工、動(dòng)力及陶瓷等工業(yè)領(lǐng)域。1隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓寬。新能源的開(kāi)發(fā)，電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦CPU冷卻以及大功率晶體管、可控硅元件、電路控制板等的冷卻，化工、動(dòng)力、冶金、玻璃

9、、輕工、陶瓷等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開(kāi)發(fā)，都將促進(jìn)熱管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。二、 熱管技術(shù)的原理21 基本結(jié)構(gòu)熱管一般的主要組成部分為管殼、吸液管（管芯）、與工作介質(zhì)。管殼一般采用不銹鋼、銅、碳鋼等金屬材料作為主要材料，構(gòu)成一種封閉式的結(jié)構(gòu)。它要能夠很大的壓力，同時(shí)也要具有良好的導(dǎo)熱性。吸液管緊貼管壁，是冷凝液體回流的裝置，通常由孔多毛細(xì)的結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成。工作介質(zhì)存在于熱管的內(nèi)部空腔，是工作狀態(tài)下傳遞熱量的物質(zhì)，一般為甲醇、丙醇、水、氨等，不包括管內(nèi)可能存在的空氣或者其他雜物。工作介質(zhì)在工作時(shí)處于液相與氣相兩種狀態(tài)，一般在熱管處于真空狀態(tài)時(shí)被填充進(jìn)去。2. 2 基本原理按照工作原理與介質(zhì)的不同，熱

10、管一般可以分為兩類：物理熱管和化學(xué)熱管，我們傳熱學(xué)研究的主要是物理熱管。下面我將對(duì)兩種熱管的工作原理作基本的介紹。A）物理熱管物理熱管主要是利用工作介質(zhì)的物理相變（蒸發(fā)、凝結(jié)）來(lái)傳遞熱量。如圖2.1所示，熱管一端為蒸發(fā)段，中間一段為絕熱段（即與外界無(wú)熱交換），另一端為冷凝段。處于液相的工作介質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱量，并迅速氣化，經(jīng)絕熱段到達(dá)凝結(jié)段。凝結(jié)段處的溫度較低，可以使氣相的工作介質(zhì)在此處發(fā)生凝結(jié)換熱，并迅速液化。液化后的工作介質(zhì)沿吸液管流回到蒸發(fā)段（毛細(xì)作用）。因?yàn)楣苄镜淖饔茫哉舭l(fā)段和冷凝段的位置可以隨意布置，不一定必須蒸發(fā)段在下，冷凝段在上。圖2.1 毛細(xì)管式熱管示意圖1管殼；2管芯；3

11、蒸汽腔；4工作液 以上是毛細(xì)管式熱管的工作原理，還有一種熱管叫重力式熱管，又叫兩相熱虹吸管。它是熱能工程中應(yīng)用最廣泛的一種熱管，可以不用管芯，而是利用凝結(jié)段液態(tài)工質(zhì)自身重力沿?zé)峁軆?nèi)壁下流到蒸發(fā)段。主要的工作過(guò)程歷經(jīng)下面四個(gè)方面：1）熱量被吸收在蒸發(fā)段。2）流體沸騰汽相。3）熱釋放從筒上部環(huán)境；蒸汽冷凝液相。4）液體在重力作用下的筒體下部（蒸發(fā)段）。由于內(nèi)部沒(méi)有吸液管，所以工作介質(zhì)液態(tài)時(shí)在重力的作用下只能從管上方流向下方，而不能從管的下方流向上方，如此就保證了傳熱的單向性。重力式熱管在許多大的工程中都有所應(yīng)用，其中最著名的是用于提高青藏鐵路多年凍土地基穩(wěn)定性。2.1 重力式熱管示意圖重力式熱管是

12、青藏鐵路多年凍土地區(qū)穩(wěn)定路基最常用的措施之一。其最早在俄羅斯及我國(guó)東北的輸電設(shè)備上進(jìn)行試用，因?yàn)檫@種熱管的特點(diǎn)是內(nèi)部沒(méi)有吸液芯，這就使得其單向?qū)嵝?，即熱量只能沿重力相反方向傳遞，而沿重力方向的導(dǎo)熱能力很差2。在青藏鐵路沿途，將熱管的將熱管的一部分插入地下作為蒸發(fā)段,上部露在環(huán)境中，作為冷凝段。冬天，環(huán)境溫度低于凍土層溫度，地下的熱量加熱插入地下的熱管，使其內(nèi)部的工作介質(zhì)汽化，在蒸汽壓的作用下向上部冷凝段流動(dòng)；在冷凝段，由于溫度比較低，蒸汽遇冷凝結(jié)，凝結(jié)液在重力的作用下回到蒸發(fā)段，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。如此不斷工作，將地下的熱量帶走。而夏天，環(huán)境溫度比較高，由于熱管內(nèi)部沒(méi)有吸液芯，工作介質(zhì)不能從下面

13、流到蒸發(fā)段，所以此時(shí)的熱量只能依靠管壁的熱傳導(dǎo)。正是由于熱虹吸管的這個(gè)特點(diǎn)，在冬天它可以使地下的永凍層變厚，加固了凍土，減小了以凍土為路基的鐵路在運(yùn)行時(shí)的下沉。在凍土層，沒(méi)有應(yīng)用熱管時(shí)，其內(nèi)部的冷凍和融化完全依靠?jī)鐾帘旧淼膫鲗?dǎo)，在冬天凍土得不到充分的冷凍，凍土層的溫度只有-23，當(dāng)夏天溫度高于0時(shí)，很容易融化。而在放置熱管后，凍土層的冷凍過(guò)程變成了二維的導(dǎo)熱過(guò)程，其內(nèi)部增加了一個(gè)近乎等溫度冷源，可以把從地面到地下5 -6m 近熱管壁土層的溫度變成-20，強(qiáng)化了凍土層的冷凍過(guò)程。而在夏天又不會(huì)明顯增加融化過(guò)程，這樣冬天形成的凍土層在夏天的厚度和硬度就比沒(méi)有熱管時(shí)要大得多，從而加固了路基（如圖2.

14、3所示）。圖2.3 熱管加固凍土路基原理示意圖B）化學(xué)熱管1-反應(yīng)蒸發(fā)段（器） 2-反應(yīng)冷凝段（器） 3-絕熱導(dǎo)液段（管） 4-絕熱導(dǎo)汽段（管） 5-熱源 6- 熱匯圖2.4 化學(xué)反應(yīng)傳熱原理圖如圖所示為化學(xué)反應(yīng)傳熱的基本原理圖，化學(xué)反應(yīng)應(yīng)為正向吸熱逆向放熱的可逆化學(xué)反應(yīng)。為了保證系統(tǒng)的正常工作，必須保證以下幾點(diǎn)：（1）化學(xué)反應(yīng)是可逆的，且正逆反應(yīng)都具有相當(dāng)大的速度；（2）在工作溫度、壓力條件下反應(yīng)物A、B應(yīng)處于液相狀態(tài)，生成物G、R應(yīng)處于汽相狀態(tài)。即反應(yīng)物A、B的沸點(diǎn)要比生成物G、R的沸點(diǎn)高；（3）反應(yīng)熱足夠大，至少應(yīng)和相變熱有相同數(shù)量級(jí)。（4）生成物G、R的物理性質(zhì)應(yīng)接近或相同。4當(dāng)化學(xué)反

15、應(yīng)滿足上述的條件時(shí)，就可以保證在工作狀態(tài)下A、B始終處于液態(tài)，G、R始終處于氣態(tài)。蒸發(fā)段吸熱后，A、B發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成G、R，所產(chǎn)生的氣相工質(zhì)在系統(tǒng)壓差的作用下，由絕熱導(dǎo)氣管輸送到反應(yīng)冷凝段。由于反應(yīng)是可逆的，所以在冷凝段，G、R發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成A、B，并且放出相應(yīng)的熱量。如此一個(gè)循環(huán)，完成熱量的傳遞與轉(zhuǎn)移。2.4 化學(xué)熱管的示意圖如圖2.4所示為化學(xué)熱管的示意圖。我們看出其基本架構(gòu)同物理熱管是相同的。但是對(duì)其中的工質(zhì)和蒸發(fā)段與冷凝端的溫度有著嚴(yán)格的要求。即一個(gè)有效的化學(xué)熱管的熱力學(xué)體系需要選擇相匹配的熱源溫度和熱阱溫度。例如，對(duì)于1000K和1300K之間的熱源溫度，甲烷重態(tài)流體被證明是有

16、效的，而逆向的甲烷化過(guò)程大約發(fā)生在700K。圖2.5反應(yīng)了不含固相的各種蓄熱反應(yīng)中反應(yīng)物在1個(gè)大氣壓下單位重量的標(biāo)準(zhǔn)焓變化值。5圖2.5 不含固相蓄熱反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)焙變數(shù)據(jù)三、 熱管技術(shù)的重要特點(diǎn)與常規(guī)熱管換熱技術(shù)相比，熱管換熱器技術(shù)之所以能不斷受到工程界歡迎，是因其具有如下重要特點(diǎn)：l 熱管換熱設(shè)備與常規(guī)換熱設(shè)備相比，具有更安全、可靠、可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。這一特點(diǎn)對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)的工程，如化工、冶金、動(dòng)力等具有特別重要的意義。常規(guī)換熱設(shè)備一般都是間壁換熱，冷熱液體分別在器壁的兩側(cè)流過(guò)，如管壁和器壁之間發(fā)生泄露，則將造成停產(chǎn)損失。而由熱管組成的換熱設(shè)備，則是二次間壁換熱，即熱流要通過(guò)熱管的蒸發(fā)段管壁

17、和冷凝段管壁才能傳到冷液體，而熱管一般不可能在蒸發(fā)段和冷凝段同時(shí)破壞，所以大大增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。l 熱管管壁的壁溫可以調(diào)整，這在低溫余熱回收或熱交換中是相當(dāng)重要的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)臒崃髯儞Q把熱管管壁溫度調(diào)整在低溫流體的露點(diǎn)以上，從而可防止露點(diǎn)腐蝕，保證設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行。例如在鍋爐尾部的熱管空氣預(yù)熱器，由于能調(diào)整管壁溫度，不僅能防止煙氣結(jié)露，而且子也避免了煙灰在管壁上粘結(jié)，保證鍋爐的長(zhǎng)期運(yùn)行，并提高了鍋爐效率。l 冷熱段結(jié)構(gòu)和位置布置靈活。由熱管組成的換熱設(shè)備的受熱部分和放熱部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和位置非常靈活，可適應(yīng)于各種復(fù)雜的場(chǎng)合。由于結(jié)構(gòu)緊湊占地空間小，因此特別適合于工程改造及地面空間狹小和設(shè)

18、備擁擠的場(chǎng)合，且維修工作量小。四、 熱管換熱器的分類由多支熱管元件組成的換熱設(shè)備叫熱管換熱器。熱管換熱器應(yīng)用廣泛，種類繁多，可從下述不同的角度進(jìn)行分類： 按冷源、熱源的換熱機(jī)理分類： 對(duì)流對(duì)流型 1.氣氣型 熱管換熱器 2.氣液型 熱管換熱器 3.氣汽型 熱管換熱器 4液液型 熱管換熱器 輻射對(duì)流型 1.太陽(yáng)輻射水（汽）型熱管換熱器 2.高溫固體水（汽）型 熱管換熱器 導(dǎo)熱對(duì)流型 1.移動(dòng)床式熱管換熱器 2.凍土蓄冷式熱管換熱器 按溫度范圍及相應(yīng)介質(zhì)分類 ： 1.高溫?zé)峁軗Q熱器：汞熱管換熱器；鈉熱管換熱器等。高溫?zé)峁苁侵腹ぷ鳒囟仍?00K以上的熱管，用銀做工質(zhì)的最高工作溫度能達(dá)到3000K。高

19、溫?zé)峁艿墓べ|(zhì)均是液態(tài)金屬。汞可在500900K內(nèi)使用，并具有很好的熱力性能。汞在常溫下是液態(tài)，所以比其他金屬容易充裝，但汞有毒且又不能很好地濕潤(rùn)吸液芯，所以沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。溫度再高一些，常用的工質(zhì)有銫、鉀、納、鋰等。高溫?zé)峁艿膫鳠崮芰Ρ戎械蜏責(zé)峁艽蟮枚?，徑向熱阻比中低溫?zé)峁苄〉枚啵苓_(dá)到的最大徑向熱流密度也要高得多。2.中溫?zé)峁軗Q熱器：萘熱管換熱器；水熱管換熱器等。中溫?zé)峁苁侵腹ぷ鳒囟仍?00700K范圍內(nèi)的熱管。這是目前使用最廣泛的一類熱管。在此溫度范圍內(nèi)，水的熱性能最好。這種熱管能在350500K溫度下使用，缺點(diǎn)是水與鋁、鋼等常用工程材料不相容，只能與銅長(zhǎng)期相容，而且其凝固點(diǎn)高，因此限

20、制了它的使用。近年來(lái)通過(guò)大量的研究在鋼-水相容性方面取得了進(jìn)展，鋼-水熱管在余熱回收方面得到廣泛應(yīng)用。在200350K范圍內(nèi)最佳的工質(zhì)是氨，其熱性能僅次于水。能與鋁、鋼等常用工程材料長(zhǎng)期相容，其凝固點(diǎn)也低，因此在衛(wèi)星、飛船上得到廣泛的應(yīng)用。在300400K范圍內(nèi)常用的工質(zhì)是甲醇、F-11、F-21、F-113等。其中甲醇的熱性能僅次于氨，有良好的控制靈敏度。在500700K范圍內(nèi)合適的工質(zhì)不多，目前常用的是聯(lián)苯等。這一溫區(qū)對(duì)于熱能回收、化工過(guò)程有很大意義，但尋找合適的工質(zhì)仍然是一個(gè)重要課題。 3.中低溫?zé)峁軗Q熱器：丙酮熱管換熱器；甲醇熱管換熱器等。 4.低溫?zé)峁軗Q熱器：氨熱管換熱器；致冷劑熱管

21、換熱器等。低溫?zé)峁苁侵腹ぷ鳒囟仍?200K范圍內(nèi)的熱管。用氦做工質(zhì)，可以在4K以下工作。氫和氖可以在2030K范圍內(nèi)使用。溫度再高一些，可用的工質(zhì)有氮和氧。在100200K范圍內(nèi)常用的工質(zhì)有甲烷、乙烷、F-13等。低溫工質(zhì)的特點(diǎn)是傳輸系數(shù)均很小，毛細(xì)升高系數(shù)也很小。它們與一般的工程材料均能相容，但用氫作工質(zhì)時(shí)需注意氫脆問(wèn)題。6按用途進(jìn)行分類 1.熱管空氣預(yù)熱器；2.熱管省煤器；熱管換熱器；3.熱管余熱鍋爐；熱管蒸汽發(fā)生器；4.熱管式太陽(yáng)能集熱器；5.熱管式蒸汽冷凝器等。按工作介質(zhì)的組成分類按介質(zhì)組成可分為:介質(zhì)化學(xué)成分均一的單組分熱管；介質(zhì)為兩種以上物質(zhì)的混合物的多組分熱管；以及管內(nèi)除工質(zhì)外同

22、時(shí)還含有一定數(shù)量不凝結(jié)氣體的充氣熱管。多組分介質(zhì)熱管的一個(gè)特點(diǎn)是有沿著管長(zhǎng)將組分分開(kāi)的可能，因?yàn)檠刂荛L(zhǎng)的各個(gè)區(qū)段可以形成不同的溫度段。通常介質(zhì)組分的蒸汽壓力差越大，溫度差也越大。在極限情況下，當(dāng)工作溫度超過(guò)其中一個(gè)組分的臨界溫度時(shí)，則此組分就以不凝性氣體的形式存于管中。氣體積聚在冷凝段的末端并形成一個(gè)明顯的不等溫區(qū)。不等溫區(qū)的長(zhǎng)度通常正比于氣量而反比于熱管中的蒸汽壓力。改變管中的氣量可以控制不等溫區(qū)的長(zhǎng)度、排熱面積，并且可以調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)管段的溫度。當(dāng)熱量傳遞改變時(shí)能自動(dòng)調(diào)整工作溫度是充氣熱管的一個(gè)重要特性。 按外部結(jié)構(gòu)分類 從外部形態(tài)看，熱管有很多式樣，不同的形式是為了滿足不同的需要。外部形式的

23、多變性和靈活性是熱管得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。目前，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的比較多的有以下幾種:(1)圓柱形;(2)環(huán)形；(3)星形；(4)長(zhǎng)撓性形；(5)傳熱面積隨著螺旋松開(kāi)而改變的撓性螺線管形；(6)蒸汽室形；(7)平板形；(8)分離式熱管。五、 熱管研究現(xiàn)狀近些年，熱管的發(fā)展取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。目前主要有三種主要技術(shù)：平板型熱管技術(shù)，環(huán)路熱管技術(shù)和脈動(dòng)熱管技術(shù)。71、平板型熱管技術(shù)平板型熱管由兩塊平行的板殼和吸液芯制成，通道截面為扁平的矩形。目前，出現(xiàn)了由多個(gè)微型熱管平行排列組成的新興平板型熱管，其原理是在兩塊平行的紫銅板中間焊接若干互相平行的細(xì)銅絲，每?jī)蓧K相鄰的銅絲和上下兩塊紫銅板之間構(gòu)成一

24、個(gè)通道 ，通道截面由兩條半圓曲線和兩條平行直線構(gòu)成。圖5.1 平板型等溫?zé)峁苓@種熱管技術(shù)在1969年由Feldman首次提出，并獲得專利。隨后，Edelstein 提出了一種平板式可控?zé)峁?。后Ooijen等則采用數(shù)值計(jì)算的方法，研究了有絕熱頂板的平板熱管中的蒸汽流動(dòng)情況，這是平板熱管由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造到理論分析研究的開(kāi)端。K.Vafai 和 W.Wang8研究了非對(duì)稱平板式熱管中的流動(dòng)和熱傳輸特性 ，首次采用積分方法研究了平板熱管中的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)。C.B.Sobhan9等建立了平板熱管的瞬態(tài)計(jì)算模型。2003 年張麗春10等人對(duì)內(nèi)部蒸汽通道互相連通的微細(xì)矩形槽道結(jié)構(gòu)的不銹鋼-水、銅-水熱管的傳熱

25、性能，進(jìn)行了較全面的實(shí)驗(yàn)研究，得到微型熱管的最佳充液率范圍、當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)和熱管的傳熱能力。2006年清華大學(xué)、豈興明等人以丙酮、乙醇和水為工質(zhì)，對(duì)小型平板熱管在充液率為20%90%的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)量了熱管蒸發(fā)段和冷凝段管壁、加熱和冷卻風(fēng)道進(jìn)、出口截面等處的溫度分布，計(jì)算了傳熱量和傳熱系數(shù)。得出該平板熱管以乙醇為工質(zhì)時(shí)的傳熱性能最好，傳熱極限為 l617kW/m，最佳充液率為50%，并給出平均傳熱系數(shù)綜合關(guān)聯(lián)式。2006年中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所唐瓊輝11等人對(duì)一種新型的平板式微熱管-零切角曲面微熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論:微熱管總熱阻的主要變化因素是冷凝段熱阻和蒸

26、發(fā)段熱阻；與相應(yīng)的無(wú)工質(zhì)平板式換熱器相比，實(shí)驗(yàn)件主要熱阻變?yōu)闊岢翢嶙?蒸發(fā)段和冷凝段熱阻所占比例較低。同傳統(tǒng)的一維軸向傳熱的熱管相比,平板型熱管中工質(zhì)蒸發(fā),蒸氣軸向傳熱,蒸發(fā)區(qū)域相應(yīng)增大,熱管管壁的溫差相應(yīng)減小,起動(dòng)更加迅速,穩(wěn)定后熱管的管壁均溫性也較好；并且擁有擁有更輕的質(zhì)量，這使得其在電子元件的散熱方面具有重要的應(yīng)用。2、環(huán)路熱管技術(shù)環(huán)路熱管 (Loop Heat Pipe,以下簡(jiǎn)稱 LHP)是一種新型的熱控技術(shù)，經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，逐漸開(kāi)始應(yīng)用于空間飛行器的熱控上，有希望成為未來(lái)高功率衛(wèi)星的熱控制的有效手段。前蘇聯(lián)和俄羅斯在這一方面率先進(jìn)行了研究。1989年,前蘇聯(lián)在GRANAT第一次搭載

27、LHP實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了LHP的壽命實(shí)驗(yàn)及可靠性性能實(shí)驗(yàn)，取得良好的效果；1995年，俄羅斯在Obzor Mis2sion中第一次把LHP技術(shù)應(yīng)用到飛行器的熱控制上；隨后，在1997年；美國(guó)在航天飛機(jī)(STS. 87）進(jìn)行了LHP的空間實(shí)驗(yàn)；1999 年 ，美國(guó)在Hughes HS 702 上首次將 LHP 回路應(yīng)用于展開(kāi)式輻射器；LHP還在俄羅斯的Mars. 96、中國(guó)的FY.1得到應(yīng)用。圖5.2 環(huán)路熱管示意圖及實(shí)物圖從LHP的結(jié)構(gòu)原理上看，LHP的運(yùn)行溫度是由液體補(bǔ)償器的溫度控制的，因此，可以控制與調(diào)節(jié)液體補(bǔ)償器的溫度來(lái)控制回路的工作溫度。Michael等根據(jù)LHP回路的P-T圖提出了LH

28、P 溫度控制的幾種方法，包括主動(dòng)控制與被動(dòng)控制，并介紹了LHP溫度控制的基本原理。我國(guó)的LHP技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已開(kāi)始在我國(guó)自行研制的衛(wèi)星上應(yīng)用。苗建印等人在模擬空間環(huán)境條件下進(jìn)行LHP性能實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了LHP在小功率啟動(dòng)、低溫條件下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、液體補(bǔ)償器對(duì)LHP的溫度控制等項(xiàng)目，取得圓滿成功；中山大學(xué)裴念強(qiáng)，郭開(kāi)華等人提出一種新型的主動(dòng)式環(huán)路熱管(ALHP)該環(huán)路熱管系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用泵代46替了傳統(tǒng)的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制儲(chǔ)液罐的溫度調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的壓力。LHP是目前發(fā)展較為成熟的采用兩相流技術(shù)的流體回路，具有廣闊應(yīng)用前景。它不僅可以用于儀器設(shè)備的直接熱控制，也可作為航天器中小型可展開(kāi)式輻射器的

29、傳熱元件。LHP 在空間工程上的廣泛應(yīng)用對(duì)航天器熱管理的優(yōu)化具有重要意義。3、脈動(dòng)熱管技術(shù)脈動(dòng)熱管技術(shù)是由日本學(xué)者Akachi在20世紀(jì)90年代提出的一種新型熱管，是由金屬毛細(xì)管彎曲成蛇形結(jié)構(gòu)，管內(nèi)抽成真空后充注部分工作介質(zhì)構(gòu)成的。由于管徑足夠小，所以管內(nèi)將形成氣泡柱和液體柱間隔布置并呈隨機(jī)分布的狀態(tài)。在蒸發(fā)端，工質(zhì)吸熱產(chǎn)生氣泡，迅速膨脹和升壓，推動(dòng)工質(zhì)流向低溫冷凝端。那里，氣泡冷卻收縮并破裂，壓力下降。這樣，由于兩端間存在壓差以及相鄰管子之間存在的壓力不平衡，使得工質(zhì)在蒸發(fā)端和冷凝端之間振蕩流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。圖5.3 脈動(dòng)熱管技術(shù)示意圖脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理使之與傳統(tǒng)熱管相比具有如

30、下優(yōu)點(diǎn)：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。管徑小決定了整體尺寸?。欢也恍枰盒?，減少了熱管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本；振蕩動(dòng)力來(lái)自振蕩熱管本身，無(wú)需其它附屬設(shè)備，運(yùn)行和維護(hù)成本低。傳熱性能好。除通過(guò)相變傳熱外，脈動(dòng)熱管還通過(guò)氣液振蕩傳遞顯熱并將熱量轉(zhuǎn)化為振蕩需要的功。適應(yīng)性好。脈動(dòng)熱管的形狀可以任意彎曲，可以有多個(gè)加熱段和冷凝段，而且加熱和冷凝的部位可以任意選取，可以在任意傾斜角度和加熱方式下工作，這就大大增加了脈動(dòng)熱管的適應(yīng)性，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。這些優(yōu)點(diǎn)決定了脈動(dòng)熱管在解決小空間高熱流密度散熱；開(kāi)發(fā)高效換熱器和制冷設(shè)備；實(shí)現(xiàn)在重力場(chǎng)變化條件下的控溫技術(shù)等方面都極具發(fā)展前景。12目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的脈動(dòng)熱管散

31、熱器有以下幾種形式：翅片式脈動(dòng)熱管，柔性連接熱管，平板式脈動(dòng)熱管等。脈動(dòng)熱管憑借其傳熱性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，無(wú)論在芯片散熱、能量收集、冷凍技術(shù)等方面都具有廣泛的應(yīng)用。六、 熱管技術(shù)的應(yīng)用1、熱管在余熱回收方面的應(yīng)用20世紀(jì)70年代以來(lái)，板式、板翅式、螺旋板式新型熱管換熱器和空冷器得到了很快的發(fā)展?，F(xiàn)代緊湊式換熱器對(duì)于小溫差的換熱已經(jīng)有了很高的效率。1. 熱管換熱器的結(jié)構(gòu)決定了它是典型的逆流換熱，而且熱管本身的溫降很小，近于等溫運(yùn)行，這就使得熱管換熱器的效率很高。2. 設(shè)備的傳熱性能是可逆的，即冷、熱流體可以變換，這對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能是十分有利的。3. 對(duì)于冷、熱氣流間溫差很?。ㄈ鐑H十

32、幾度）的情況，也能實(shí)現(xiàn)一定的熱回收。4. 熱管換熱器也適用于熱氣流被冷卻到露點(diǎn)以下,即出現(xiàn)冷凝的情況,可用于溶劑的回收。2、熱管技術(shù)在航天器上的應(yīng)用（1)在溫度均勻化方面的應(yīng)用熱管可使衛(wèi)星各部件之間 ， 甚至整個(gè)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的等溫化成為可能，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的等溫化對(duì)于整個(gè)溫度控制系統(tǒng)將有很大的改善。儀器之間溫度均勻化，可使儀器設(shè)備能在更適宜的溫度下工作；結(jié)構(gòu)的等溫化，使受照面太陽(yáng)能電池的溫度降低 ， 從而提高輸出功率并延長(zhǎng)壽命。減少因溫差而引起的結(jié)構(gòu)變形，對(duì)衛(wèi)星上的大型光學(xué)系統(tǒng)特別重要。(2)在散熱和溫度控制方面的應(yīng)用由于熱管具有變換熱流密度的功能，因此人們利用可變熱導(dǎo)熱管和輻射散熱表面結(jié)合組成熱管輻射

33、器，可以排散大功率行波管集電極的廢熱。熱管也可以用來(lái)冷卻高熱流密度的組件。 熱管用于空間輻射器比泵式液體循環(huán)輻射器有幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn) ，如提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了重量，而且能夠進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。3、用于電機(jī)及電器設(shè)備的冷卻（1）電機(jī)冷卻熱管用于電機(jī)冷卻可以分為兩種形式: 一種是裝在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱部位 ， 把熱量導(dǎo)出到電機(jī)兩端容易散熱的部位 ， 從而降低電機(jī)的溫升 ， 這種方法需要適當(dāng)?shù)馗淖冸姍C(jī)的結(jié)構(gòu)。 另一種是旋轉(zhuǎn)熱管電機(jī) ， 這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子為空心軸 ， 空心軸本身作成旋轉(zhuǎn)熱管 ， 電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱量通過(guò)旋轉(zhuǎn)熱管帶到電機(jī)的一端散掉 ，同時(shí)定子繞組的溫升也有所降低。兩種形式熱管的使用 ， 在保持繞

34、組絕緣和耐熱要求的條件下 ， 可以提高電機(jī)的功率。（2）其它電器設(shè)備的冷卻4、熱管用于電子元件及微型組件的散熱對(duì)電子元件或部件進(jìn)行熱控制是電子設(shè)備向前發(fā)展的重要問(wèn)題 ， 由于技術(shù)的進(jìn)步 ， 電器設(shè)備向大功率、 緊湊化方向發(fā)展，所以單位體積產(chǎn)生的熱量很大,與此同時(shí),有效的散熱面積卻相應(yīng)縮小,從而使散熱問(wèn)題更為突出。要設(shè)計(jì)一個(gè)有效的傳熱系統(tǒng),其中一個(gè)重要因素是減小熱源和冷源間的熱阻。熱管以其高傳熱性能和溫度可控性使其能在電子器件的熱控制方面發(fā)揮作用。 以上主要列舉了熱管應(yīng)用的幾個(gè)方面,綜合起來(lái)說(shuō),熱管的應(yīng)用領(lǐng)域有以下方面：（1）反應(yīng)堆的冷卻；（2）空間核動(dòng)力；（3）均溫；（4）爐子；（5）自動(dòng)阻風(fēng)閥；（6）發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻；（7）化油器加熱；（8）汽車；（9）鉆頭和刀具的冷卻；（10）機(jī)械模具；（11）鑄造模具的冷卻；（12）干燥器、熔爐、鍋爐、 省煤器和空氣預(yù)熱器；（13）蒸汽發(fā)生器；（14）廢熱回收；（15）排氣；（16） 去硫器；（17）過(guò)程熱交換器；（18）烤爐、煎餅用的淺鍋和冰凍貯藏；