熱管技術(shù)-管芯的構(gòu)造型式

1、從熱力學(xué)的角度看，為什么熱管會(huì)擁有如此良好的導(dǎo)熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對(duì)的，凡是有溫度差存在的時(shí)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(duì)流、傳導(dǎo)，其中熱傳導(dǎo)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(dǎo)。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(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)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(dāng)熱管一段受熱時(shí)，毛細(xì)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(xì)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(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。  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(fù)110負(fù)4)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)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(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)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(xì)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(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，包含了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過(guò)

3、程：    (1)熱量從熱源通過(guò)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(guò)吸液芯、液體和管壁傳給冷源：    (6)在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)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(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特性。    (3)很高的導(dǎo)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(dǎo)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(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)而言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學(xué)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?qiáng)，徑向并無(wú)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(xué)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(dú)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(dòng)力是毛細(xì)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(diǎn)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(xué)反應(yīng)器及其他裝置。    (5)熱二極管與熱開(kāi)關(guān)性能  熱管可做成熱二極管或熱開(kāi)關(guān)，所謂熱二極管就是只允許熱流向一個(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)；熱開(kāi)關(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開(kāi)始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不傳熱。    (6)恒溫特性(可控?zé)峁?

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(dāng)加熱量變化時(shí)，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(dǎo)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(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。    (7)環(huán)境的適應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可做成分離式的，以適應(yīng)長(zhǎng)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(chǎng))，也可用于空間(

8、無(wú)重力場(chǎng))。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(zhǎng)的變化趨勢(shì).沿整個(gè)熱管長(zhǎng)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(xì)壓差相平衡。 Pc(毛細(xì)壓頭是熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動(dòng)力,用來(lái)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(chǎng)對(duì)液體流動(dòng)的壓力降(Pg可以是正值,是負(fù)值或?yàn)榱?視熱管在重力場(chǎng)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(duì)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?zé)峁?2730)、常溫?zé)峁?0250)、中溫?zé)峁?50450)、高溫?zé)峁?450一1000)等。    2)按照工作液體回流動(dòng)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(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)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(xí)慣的劃分方法)可分為銅水熱管、碳鋼。

10、水熱管、銅鋼復(fù)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(kāi)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(yù)期的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)用中具有重要的意義。只有長(zhǎng)期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能，長(zhǎng)期的工作壽命及工業(yè)應(yīng)用的可能性。碳鋼水熱管正是通過(guò)化學(xué)處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題，才使得碳鋼水熱管這種高性能、長(zhǎng)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(lái)，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(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)

12、生不凝性氣體，在熱管工作時(shí)，該氣體被蒸汽流吹掃到?jīng)_凝段聚集起來(lái)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(jī)工作介質(zhì)在一定溫度下，會(huì)逐漸發(fā)生分解，這主要是由于有機(jī)工作液體的性質(zhì)不穩(wěn)定，或與殼體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使工作介質(zhì)改變其物理性能，如甲苯、烷、烴類等有機(jī)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(dòng)，同時(shí)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(dòng)阻力增大，使熱管傳熱

13、性能降低。當(dāng)管殼被腐蝕后，引起強(qiáng)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?zé)峁苤小?#160;   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(duì)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(wú)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度可以從幾毫米到l00米以上。低溫?zé)峁軗Q熱器的管材在國(guó)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(guó)內(nèi)外常采用的一種形式，旋壓封頭是在旋壓機(jī)上直接旋壓而成，這種端蓋形式外型美觀，強(qiáng)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(gè)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(lái)隨著熱管技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)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(duì)一些典型的結(jié)構(gòu)作出簡(jiǎn)賂的介紹。        1管芯型式 

16、;   一個(gè)性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有：    (1)足夠大的毛細(xì)抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑    (2)較小的液體流動(dòng)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(fù)性及可靠性，制造簡(jiǎn)單，價(jià)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(yīng)盡量緊貼，網(wǎng)與管壁之間亦應(yīng)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(xì)網(wǎng)時(shí)毛細(xì)抽吸力大但流動(dòng)阻力亦增加如在近壁因數(shù)層用粗孔網(wǎng)，表面一層用細(xì)孔網(wǎng)，這樣可由表面細(xì)孔網(wǎng)提供較大的毛細(xì)抽吸壓力，通道內(nèi)的粗孔網(wǎng)使流動(dòng)阻力較小，但并不能改善徑向熱膽大的缺點(diǎn)網(wǎng)芯式結(jié)構(gòu)的管芯可得到較高的毛細(xì)力和較告的毛細(xì)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(fù)性差又不能適應(yīng)管道彎曲的情況，故在細(xì)長(zhǎng)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(xì)抽吸力，并較大地改善了徑向熱阻，克服了網(wǎng)芯工藝重復(fù)性差的缺點(diǎn)，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(kāi)軸向細(xì)槽以提供毛細(xì)壓頭及液體國(guó)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(xì)壓頭較小，但液體流動(dòng)阻力甚小，因此可達(dá)到較高的軸向傳熱能力，徑向熱

19、阻較小，工藝重復(fù)性良好，可獲得精確幼兒何參數(shù)，因而可較正確地計(jì)算毛細(xì)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(duì)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(shí)兼顧毛細(xì)抽吸力及滲透率為了有高的毛細(xì)抽吸力，就要選用更細(xì)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(xì)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(xì)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