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熱管使用和選購中的基本要點 |
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熱管是一種新型的高效傳熱器件。具有導熱性能高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、溫度均勻與等溫性等特點。可廣泛用于電子設(shè)備、高密度組裝器件、高功率密度元器件的傳熱和熱控制等。
一、熱管工作原理
熱管一般劃分為三部分：即蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。在容器的內(nèi)壁上設(shè)有與內(nèi)壁形狀相一致的毛細管心，液相工質(zhì)充滿整個管心。當工質(zhì)在蒸發(fā)段受熱后開始蒸發(fā)，蒸汽帶著汽化潛熱被輸送到另一端冷凝，并放出汽化潛熱，然后靠毛細泵力的作用使冷凝液返回到蒸發(fā)段完成一個循環(huán)。利用這種方法，把熱能高效率地從一端傳至另一端。
熱管的工作原理：在熱管未工作前，工質(zhì)的液面與管心平齊。當發(fā)熱元件與蒸發(fā)段接觸后，便將熱量傳給管壁、管心和工質(zhì)；工質(zhì)受熱后吸收汽化潛熱變?yōu)檎羝舭l(fā)段的蒸汽壓力高于冷凝段，因此兩端形成壓力差，該壓差驅(qū)動蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段。蒸汽在冷凝段冷凝時放出汽化潛熱，通過管心、管壁傳到熱管的散熱器。由于蒸發(fā)的原因，在蒸發(fā)段的工質(zhì)液面進入管心的毛細孔內(nèi)形成彎月面，在這里形成毛細泵力，將冷凝液抽回到蒸發(fā)段，完成一個工作循環(huán)。只要工質(zhì)的流動不中斷和保證足夠的毛細泵力，熱管可長期地工作。
二、熱管的特性與分類
1 熱管的特性
由于熱管是高效的傳熱器件，它具有以下一些特性。
（1）傳熱能力強由于熱管的傳熱主要依靠工作液（含液態(tài)金屬）的相變吸收和釋放大量的汽化潛熱和高速蒸汽流動的傳熱。而用于熱管的多數(shù)工作液體（或液體金屬）的汽化潛熱都很大，故不需要很多的蒸汽量就能帶走大量的熱量。
（2）等溫性好熱管表面溫度分布取決于蒸汽的溫度分布、相變時的溫差以及管壁與毛細心溫差等。蒸汽處于飽和狀態(tài)時，蒸汽流動和相變時的溫差很小，而管壁和毛細心均較薄，因此，熱管的表面溫度梯度很小，當熱流密度很低時，可達到很高的等溫表面。熱管的當量導熱系數(shù)越大，其等溫性就越好。其當量導熱系數(shù)可以是相同材料的幾十倍，甚至幾百倍。
（3）具有熱流密度可變換的能力由于熱管中蒸發(fā)和冷凝的空間是分開的，因此可以實現(xiàn)熱流密度的變換，在蒸發(fā)段可用高熱流密度輸入，而在冷凝段可以用低熱流密度輸出，反之也可以。這種變換比例可以在較大的范圍內(nèi)進行控制。
（4）具有恒溫特性當熱管內(nèi)充以一定比例的惰性氣體時，可以通過改變冷凝段的散熱面積來適應(yīng)傳熱量的變化，達到使蒸發(fā)段熱源溫度恒定在某一特定溫度的恒溫目的。
（5）具有熱二極管和熱開關(guān)的特性
2 熱管的分類
1）根據(jù)熱管的工作溫度范圍分類
（1）深冷熱管工作溫度范圍為－170～－70℃的熱管稱為深冷熱管，其工作介質(zhì)（工作液）可采用純化學元素物質(zhì)（如氦、氬、氮、氧等）或化合物（如氟利昂、乙烷等）。
（2）低溫熱管工作溫度范圍為－70～270℃。其工作介質(zhì)可選用水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有機物。
（3）中溫熱管工作溫度范圍為270～470℃。其工作介質(zhì)可選用導熱姆（聯(lián)苯－苯醚共溶體）、水銀、銫或硫等。
（4）高溫熱管工作溫度在500℃以上的熱管。其工作介質(zhì)可選用鈉、鉀、鋰、鉛、銀及其他高沸點的液態(tài)金屬。
2）根據(jù)熱管內(nèi)冷凝液的回流方式分類
（1）重力輔助熱管冷凝液依靠自身重力回流到蒸發(fā)段的熱管。
（2）毛細吸液心熱管由多孔性的毛細吸液心產(chǎn)生的毛細作用力，將冷凝液抽吸回蒸發(fā)段的熱管。
（3）旋轉(zhuǎn)熱管旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部為一個錐形的密封腔，內(nèi)壁不裝管心，蒸發(fā)段的內(nèi)徑大于冷凝段的內(nèi)徑，當高速旋轉(zhuǎn)時，利用離心力使工作液沿壁面的分量，把冷凝液送回到蒸發(fā)段。由于離心力的分量較大，流動阻力小，因此，這種熱管的傳熱能力很大。
（4）電滲透流動力熱管電滲透流是一種電動力現(xiàn)象，不同表面對離子的吸收不同，因此，在液體與毛細心固體表面的交界處出現(xiàn)電荷累積，形成正負相反的電荷層，若加一個電場，兩層電荷就出現(xiàn)相對運動，因為毛細心壁面是固定的，因此，電荷隨液體上的相對毛細壁面運動，這種運動就稱為電滲透。電滲透熱管就是利用電滲透流抽吸液體，幫助毛細抽吸，從而提高了熱管的毛細限，這種熱管的管心及工作液需要采用高電阻材料。
3．按熱管的使用控制類型分類
（1）充氣熱管當熱管存在非凝氣體時，對冷凝段的性能有明顯的影響，利用這一性能來控制冷凝段熱流量，圖2（a）是由工作液的蒸汽壓力來進行控制的。
（2）過量液體熱管此類熱管是利用過量工作液體淹沒冷凝段進行控制的。由圖2（b）可見，蒸汽溫度降低，使波紋管推出控制液體，迫使過量液體堵塞部分冷凝段，從而使熱導減少。
（3）蒸汽流量調(diào)節(jié)熱管蒸汽流量調(diào)節(jié)熱管是利用控制流過絕熱段的蒸汽流量來進行控制的。若蒸發(fā)段的熱源溫度升高或熱輸入增加，蒸汽壓力和溫度隨之提高；當蒸汽流過節(jié)流閥時流量減小了一個數(shù)量級，導致溫度和壓力下降，使冷凝段的熱導量變化很小，保持在預期的狀態(tài)（見圖2（c））。可見節(jié)流閥能起到控制冷凝段性能的作用。
（4）可變導熱管熱管的總熱導由蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段三部分熱導組成。若以某種方式改變其中任何一種熱導，而使總熱導改變的熱管，即可稱為可變導熱管。① 改變熱導的方法有：② 控制返回蒸發(fā)段的冷凝液，使蒸發(fā)段局部干涸，熱導減少；③ 改變蒸汽流動的通道，使蒸汽流的熱阻增加（相當于熱流量降低）；在冷凝段內(nèi)充填惰性氣體，如氮、氦、氬等。當熱管啟動后，蒸汽流將惰性氣體驅(qū)向冷凝段，由于惰性氣體不傳熱，因此相當于減少了部分冷凝面積，從而使熱導降低。圖3中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）為各種可控熱管的示意圖。由圖可見，各種可變導熱管均以改變蒸汽與惰性氣體分界面的位置，達到改變冷凝段的有效冷凝面積的目的，實現(xiàn)熱管的恒定熱流作用。
三、熱管的結(jié)構(gòu)與材料
熱管由管殼、管心（毛細結(jié)構(gòu)）和工作液（工作介質(zhì)）三部分組成。三者所選用的材料，除保證達到預定的熱管傳熱性能外，還應(yīng)保證工作過程中的相容性。
1 管殼管殼的作用是把工作液與外界隔開，向工作液傳熱以及把工作液的熱量傳出來。因此，管殼要防漏、耐壓、傳熱性能好。對它的要求是：① 在蒸發(fā)段和冷凝段有高的熱傳導率；② 與工作液及環(huán)境的相容性；③ 有足夠的強度和剛度，在工作溫度范圍內(nèi)，能承受工作液的蒸汽壓力；④ 用于帶電，尤其是帶高壓電的發(fā)熱元件的傳熱時，應(yīng)選用電絕緣材料（如玻璃、陶瓷等）。管殼的材料有銅（無氧銅）、不銹鋼、鋁、鎳、鎢及非金屬材料玻璃、陶瓷等。
2 管心管心的主要作用是產(chǎn)生毛細壓差（抽吸力），把工作液從冷凝段輸送到蒸發(fā)段。此外，還用于把工作液分布到蒸發(fā)段上可能吸熱的任何范圍內(nèi)。管熱產(chǎn)生的最大毛細壓差隨毛細孔的減小而增加，但其滲透率則隨毛細孔的增大而增加。因此，均勻管心的最佳毛細孔尺寸是兩者折中的結(jié)果。對水平放置和重力助推式熱管可采用低性能管心，它有較大的毛細孔，如100目或150目多孔心子。在需要克服重力的場合下，需要小毛細孔。空間應(yīng)用管心，要求傳熱能力高，可采用非均勻管心或干道管心。對管心結(jié)構(gòu)的要求：① 有大的毛細壓差；② 保證工作液流動阻力小；③ 厚度要適當，在減小徑向熱阻的前提下，增加其厚度可以提高傳熱能力；④ 與工作液的相容性和濕潤性。為了滿足這些要求，已研制成了許多管心結(jié)構(gòu)，圖4所示為其中的一部分管心結(jié)構(gòu)。管心可分為單一和復合式的均勻管心、槽道管心、干道管心等。均勻管心有絲網(wǎng)狀、泡沫狀、氈狀纖維狀和燒結(jié)狀等。單一管心用同一種材料制成，復合管心是由兩種或多種材料組成的。
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