热管技术的发展概况-

热管技术的发展概况--热管技术的发展概况摘要：热管技术出现于20世纪60年代，并在此后得到了广泛的研究与充分的发展。本文通过综合现有的资料，简要介绍了热管发展的历程，热管的分类和工作原理，热管目前的研究进展以及应用举例。希望读者对于其有一个全面充分的认识。关键词:热管技术发展原理研究现状应用Abstract:Heatpipetechnology

appearedin1960s,

andthereafter

hasbeenwidelystudied

and

fullydevelopment.

Byintegratingtheexisting

data,Ibrieflyintroducedthe

historyof

developmentofheatpipeinthispaper.Meanwhile,Ialsointroducedtheclassificationand

theworkingprincipleofheatpipe,theresearchprogressandtheapplicationofheatpipe.

Ihope

the

readers

tohaveacomprehensive

understandingofit.发展历程回顾：1964年，世界上第一支热管诞生于美国的洛斯·阿拉莫斯(LosAlamos）科学实验室；1967年该实验室首次将一支实验用水热管送上了地球卫星轨道；1968年热管第一次用于测地卫星GEOS-Ⅱ，用来控制仪器的温度。除空间技术外，在这一时期热管开始相继为电子工业所采用，用来冷却电子管、半导体元件和集成电路板等电子元件，并应用于机械、电机部件的冷却。20世纪70年代热管应用于医用手术刀，随后应用的新领域是能源工程。国外用于余热回收和空调的热管换热器已部分商品化。并开展了热管技术在太阳能和地热利用方面的研究。1972年我国研制出第一根热管，它是以钠为工质的，接着研制了以氨、水、导热油为工质的热管。1974年以后，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，人们逐渐开始用热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业以节约能源。美国和日本在这方面所取得的进展最为显著。1980年美国Q-Dot公司生产了使用热管收集废热的锅炉，日本帝人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。之后，各国的热管换热器研制工作迅猛展开，回转式、分离式等新的结构型式相继出现，并日趋工业化、大型化。

Cotter在1984年较完整地提出了微型热管的理论，为微型热管的研究与应用奠定了理论基础。毛细泵回路CPL(Capillary

pumped

loops)和回路热管系统LHP(Loop

heat

pipe

systems)以其灵活的额结构、广泛的应用面，以及小温差下的高传热效率，引起了整个热管界的普遍关注，成为理论研究和应用研究的热点。70年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均在这方面开展了大规模的研究。国际间、地区间及各国自身的热管技术交流活动日益频繁，1973年在德国斯图加特(Stuttgart)召开了第一届国际热管会议后，1976年在意大利的波伦亚(Bologna)召开了第二届国际热管会议，1978年在美国加尼福利亚州(Palo

Alto)召开了第三届国际热管会议，此后1981年在英国伦敦(London)，1984年在日本筑波(Tuskuba)，1987在法国格林贝尔(Grenoble)，1990年在前苏联明斯克(Minsk)，1992年在中国北京，1995年在美国新墨西哥州（Albuquerque），1997在德国斯图加特(Stuttgart)，1999年在日本东京(Tokyo)分别召开了第四至十一届国际热管会议。除此之外，中日双方从1985年至1994年分别召开了四届双边及多边热管技术研讨会，1996年在澳大利亚墨尔本(Melboume)召开的多边会议正式发展为国际热管技术研讨会。热管自1964年正式在美国发明问世，至今已有40多年的历史，作为一种新的传热元件，已不年轻，但作为一项传热技术，则仍处于幼儿时期。目前关于热管的理论研究逐渐受到冷遇，而应用技术的研究正不断上升，同时新的应用专利也不断出现。热管应用的重点由航天转移到地面，由工业化应用扩展到民用产品。目前国际发展最快的热管技术为微型热管技术，微型热管的管径通常只有1～2mm，且具有各种形状和尺寸，用于冷却电子装置的芯片、笔记本计算机的CPU、大功率晶体管、可控硅整流器、复印机内发热元件、电路控制板和印刷电路板(PCB）。这些热管的市场目前被日本及美国3家大公司所垄断。美国的热管换热器应用近两年呈上升趋势，主要应用于家用空调。值得注意的是热管元件及热管换热器产品的标准系列正在不断完善，这将给大规模推广应用带来极大方便。我国的热管技术开发研究一开始就具有明确的目标，即为工业化服务，因此重点在于开发碳钢-水热管换热器。经过30年的努力，我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平。目前，气-气热管换热器、热管蒸汽发生器等热管节能产品已广泛用于冶金、石油、化工、动力及陶瓷等工业领域。[1]随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。新能源的开发，电子装置芯片冷却、笔记本电脑CPU冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板等的冷却，化工、动力、冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。热管技术的原理2．1基本结构热管一般的主要组成部分为管壳、吸液管（管芯）、与工作介质。1-反应蒸发段（器）2-反应冷凝段（器）3-绝热导液段（管）4-绝热导汽段（管）5-热源6-热汇图2.4化学反应传热原理图如图所示为化学反应传热的基本原理图，化学反应应为正向吸热逆向放热的可逆化学反应。为了保证系统的正常工作，必须保证以下几点：（1）化学反应是可逆的，且正逆反应都具有相当大的速度；（2）在工作温度、压力条件下反应物A、B应处于液相状态，生成物G、R应处于汽相状态。即反应物A、B的沸点要比生成物G、R的沸点高；（3）反应热足够大，至少应和相变热有相同数量级。（4）生成物G、R的物理性质应接近或相同。[4]当化学反应满足上述的条件时，就可以保证在工作状态下A、B始终处于液态，G、R始终处于气态。蒸发段吸热后，A、B发生化学反应，生成G、R，所产生的气相工质在系统压差的作用下，由绝热导气管输送到反应冷凝段。由于反应是可逆的，所以在冷凝段，G、R发生化学反应生成A、B，并且放出相应的热量。如此一个循环，完成热量的传递与转移。2.4化学热管的示意图如图2.4所示为化学热管的示意图。我们看出其基本架构同物理热管是相同的。但是对其中的工质和蒸发段与冷凝端的温度有着严格的要求。即一个有效的化学热管的热力学体系需要选择相匹配的热源温度和热阱温度。例如，对于1000K和1300K之间的热源温度，甲烷重态流体被证明是有效的，而逆向的甲烷化过程大约发生在700K。图2.5反应了不含固相的各种蓄热反应中反应物在1个大气压下单位重量的标准焓变化值。[5]图2.5不含固相蓄热反应的标准焙变数据热管技术的重要特点与常规热管换热技术相比，热管换热器技术之所以能不断受到工程界欢迎，是因其具有如下重要特点：热管换热设备与常规换热设备相比，具有更安全、可靠、可长期连续运行的优点。这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等具有特别重要的意义。常规换热设备一般都是间壁换热，冷热液体分别在器壁的两侧流过，如管壁和器壁之间发生泄露，则将造成停产损失。而由热管组成的换热设备，则是二次间壁换热，即热流要通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁才能传到冷液体，而热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时破坏，所以大大增强了设备运行的可靠性。热管管壁的壁温可以调整，这在低温余热回收或热交换中是相当重要的，因为可以通过适当的热流变换把热管管壁温度调整在低温流体的露点以上，从而可防止露点腐蚀，保证设备的长期运行。例如在锅炉尾部的热管空气预热器，由于能调整管壁温度，不仅能防止烟气结露，而且子也避免了烟灰在管壁上粘结，保证锅炉的长期运行，并提高了锅炉效率。冷热段结构和位置布置灵活。由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位置非常灵活，可适应于各种复杂的场合。由于结构紧凑占地空间小，因此特别适合于工程改造及地面空间狭小和设备拥挤的场合，且维修工作量小。热管换热器的分类由多支热管元件组成的换热设备叫热管换热器。热管换热器应用广泛，种类繁多，可从下述不同的角度进行分类：按冷源、热源的换热机理分类：对流——对流型1.气——气型热管换热器2.气——液型热管换热器3.气——汽型热管换热器4液——液型热管换热器辐射——对流型1.太阳辐射——水（汽）型热管换热器2.高温固体——水（汽）型热管换热器导热——对流型1.移动床式热管换热器2.冻土蓄冷式热管换热器按温度范围及相应介质分类：1.高温热管换热器：汞热管换热器；钠热管换热器等。高温热管是指工作温度在700K以上的热管，用银做工质的最高工作温度能达到3000K。高温热管的工质均是液态金属。汞可在500～900K内使用，并具有很好的热力性能。汞在常温下是液态，所以比其他金属容易充装，但汞有毒且又不能很好地湿润吸液芯，所以没有得到广泛应用。温度再高一些，常用的工质有铯、钾、纳、锂等。高温热管的传热能力比中低温热管大得多，径向热阻比中低温热管小得多，所能达到的最大径向热流密度也要高得多。2.中温热管换热器：萘热管换热器；水热管换热器等。中温热管是指工作温度在200～700K范围内的热管。这是目前使用最广泛的一类热管。在此温度范围内，水的热性能最好。这种热管能在350～500K温度下使用，缺点是水与铝、钢等常用工程材料不相容，只能与铜长期相容，而且其凝固点高，因此限制了它的使用。近年来通过大量的研究在钢-水相容性方面取得了进展，钢-水热管在余热回收方面得到广泛应用。在200～350K范围内最佳的工质是氨，其热性能仅次于水。能与铝、钢等常用工程材料长期相容，其凝固点也低，因此在卫星、飞船上得到广泛的应用。在300～400K范围内常用的工质是甲醇、F-11、F-21、F-113等。其中甲醇的热性能仅次于氨，有良好的控制灵敏度。在500～700K范围内合适的工质不多，目前常用的是联苯等。这一温区对于热能回收、化工过程有很大意义，但寻找合适的工质仍然是一个重要课题。3.中低温热管换热器：丙酮热管换热器；甲醇热管换热器等。4.低温热管换热器：氨热管换热器；致冷剂热管换热器等。低温热管是指工作温度在4～200K范围内的热管。用氦做工质，可以在4K以下工作。氢和氖可以在20～30K范围内使用。温度再高一些，可用的工质有氮和氧。在100～200K范围内常用的工质有甲烷、乙烷、F-13等。低温工质的特点是传输系数均很小，毛细升高系数也很小。它们与一般的工程材料均能相容，但用氢作工质时需注意氢脆问题。[6]按用途进行分类1.热管空气预热器；2.热管省煤器；热管换热器；3.热管余热锅炉；热管蒸汽发生器；4.热管式太阳能集热器；5.热管式蒸汽冷凝器等。按工作介质的组成分类按介质组成可分为:介质化学成分均一的单组分热管；介质为两种以上物质的混合物的多组分热管；以及管内除工质外同时还含有一定数量不凝结气体的充气热管。多组分介质热管的一个特点是有沿着管长将组分分开的可能，因为沿着管长的各个区段可以形成不同的温度段。通常介质组分的蒸汽压力差越大，温度差也越大。在极限情况下，当工作温度超过其中一个组分的临界温度时，则此组分就以不凝性气体的形式存于管中。气体积聚在冷凝段的末端并形成一个明显的不等温区。不等温区的长度通常正比于气量而反比于热管中的蒸汽压力。改变管中的气量可以控制不等温区的长度、排热面积，并且可以调节对应管段的温度。当热量传递改变时能自动调整工作温度是充气热管的一个重要特性。按外部结构分类

从外部形态看，热管有很多式样，不同的形式是为了满足不同的需要。外部形式的多变性和灵活性是热管得到广泛应用的一个重要原因。目前，在实际应用中出现的比较多的有以下几种:(1)圆柱形;(2)环形；(3)星形；(4)长挠性形；(5)传热面积随着螺旋松开而改变的挠性螺线管形；(6)蒸汽室形；(7)平板形；(8)分离式热管。热管研究现状近些年，热管的发展取得了长足的进展。目前主要有三种主要技术：平板型热管技术，环路热管技术和脉动热管技术。[7]1、平板型热管技术平板型热管由两块平行的板壳和吸液芯制成，通道截面为扁平的矩形。目前，出现了由多个微型热管平行排列组成的新兴平板型热管，其原理是在两块平行的紫铜板中间焊接若干互相平行的细铜丝，每两块相邻的铜丝和上下两块紫铜板之间构成一个通道，通道截面由两条半圆曲线和两条平行直线构成。图5.1平板型等温热管这种热管技术在1969年由Feldman首次提出，并获得专利。随后，Edelstein提出了一种平板式可控热管。后Ooijen等则采用数值计算的方法，研究了有绝热顶板的平板热管中的蒸汽流动情况，这是平板热管由经验设计制造到理论分析研究的开端。K.Vafai和W.Wang[8]研究了非对称平板式热管中的流动和热传输特性，首次采用积分方法研究了平板热管中的压力场、速度场。C.B.Sobhan[9]等建立了平板热管的瞬态计算模型。2003年张丽春[10]等人对内部蒸汽通道互相连通的微细矩形槽道结构的不锈钢-水、铜-水热管的传热性能，进行了较全面的实验研究，得到微型热管的最佳充液率范围、当量导热系数和热管的传热能力。2006年清华大学、岂兴明等人以丙酮、乙醇和水为工质，对小型平板热管在充液率为20%～90%的传热性能进行了实验研究。测量了热管蒸发段和冷凝段管壁、加热和冷却风道进、出口截面等处的温度分布，计算了传热量和传热系数。得出该平板热管以乙醇为工质时的传热性能最好，传热极限为l6～17kW/m，最佳充液率为50%，并给出平均传热系数综合关联式。2006年中国科学院广州能源研究所唐琼辉[11]等人对一种新型的平板式微热管-零切角曲面微热管进行了实验研究。并且通过实验得出如下结论:微热管总热阻的主要变化因素是冷凝段热阻和蒸发段热阻；与相应的无工质平板式换热器相比，实验件主要热阻变为热沉热阻,蒸发段和冷凝段热阻所占比例较低。

同传统的一维轴向传热的热管相比,平板型热管中工质蒸发,蒸气轴向传热,蒸发区域相应增大,热管管壁的温差相应减小,起动更加迅速,稳定后热管的管壁均温性也较好；并且拥有拥有更轻的质量，这使得其在电子元件的散热方面具有重要的应用。2、环路热管技术环路热管(LoopHeatPipe,以下简称LHP)是一种新型的热控技术，经过三十年的发展，逐渐开始应用于空间飞行器的热控上，有希望成为未来高功率卫星的热控制的有效手段。前苏联和俄罗斯在这一方面率先进行了研究。1989年,前苏联在GRANAT第一次搭载LHP实验装置，进行了LHP的寿命实验及可靠性性能实验，取得良好的效果；1995年，俄罗斯在ObzorMis2sion中第一次把LHP技术应用到飞行器的热控制上；随后，在1997年；美国在航天飞机(STS.87）进行了LHP的空间实验；1999年，美国在HughesHS702上首次将LHP回路应用于展开式辐射器；LHP还在俄罗斯的Mars.96、中国的FY.1得到应用。图5.2环路热管示意图及实物图从LHP的结构原理上看，LHP的运行温度是由液体补偿器的温度控制的，因此，可以控制与调节液体补偿器的温度来控制回路的工作温度。Michael等根据LHP回路的P-T图提出了LHP温度控制的几种方法，包括主动控制与被动控制，并介绍了LHP温度控制的基本原理。我国的LHP技术经过多年的发展，已开始在我国自行研制的卫星上应用。苗建印等人在模拟空间环境条件下进行LHP性能实验，进行了LHP在小功率启动、低温条件下的稳态运行、液体补偿器对LHP的温度控制等项目，取得圆满成功；中山大学裴念强，郭开华等人提出一种新型的主动式环路热管(ALHP)该环路热管系统，该系统采用泵代46替了传统的毛细力驱动，通过控制储液罐的温度调节整个系统的压力。LHP是目前发展较为成熟的采用两相流技术的流体回路，具有广阔应用前景。它不仅可以用于仪器设备的直接热控制，也可作为航天器中小型可展开式辐射器的传热元件。LHP在空间工程上的广泛应用对航天器热管理的优化具有重要意义。3、脉动热管技术脉动热管技术是由日本学者Akachi在20世纪90年代提出的一种新型热管，是由金属毛细管弯曲成蛇形结构，管内抽成真空后充注部分工作介质构成的。由于管径足够小，所以管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝端。那里，气泡冷却收缩并破裂，压力下降。这样，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，从而实现热量的传递。图5.3脉动热管技术示意图脉动热管的结构与运行机理使之与传统热管相比具有如下优点：①体积小、结构简单、成本低。管径小决定了整体尺寸小；而且不需要吸液芯，减少了热管结构的复杂性和生产成本；振荡动力来自振荡热管本身，无需其它附属设备，运行和维护成本低。②传热性能好。除通过相变传热外，脉动热管还通过气液振荡传递显热并将热量转化为振荡需要的功。③适应性好。脉动热管的形状可以任意弯曲，可以有多个加热段和冷凝段，而且加热和冷凝的部位可以任意选取，可以在任意倾斜角度和加热方式下工作，这就大大增加了脉动热管的适应性，扩大了应用领域。这些优点决定了脉动热管在解决小空间高热流密度散热；开发高效换热器和制冷设备；实现在重力场变化条件下的控温技术等方面都极具发展前景。[12]目前开发出来的脉动热管散热器有以下几种形式：翅片式脉动热管，柔性连接热管，平板式脉动热管等。脉动热管凭借其传热性能好、适应性强、结构简单的特点，无论在芯片散热、能量收集、冷冻技术等方面都具有广泛的应用。热管技术的应用1、热管在余热回收方面的应用20世纪70年代以来，板式、板翅式、螺旋板式新型热管换热器和空冷器得到了很快的发展。现代紧凑式换热器对于小温差的换热已经有了很高的效率。热管换热器的结构决定了它是典型的逆流换热，而且热管本身的温降很小，近于等温运行，这就使得热管换热器的效率很高。设备的传热性能是可逆的，即冷、热流体可以变换，这对空调系统的节能是十分有利的。对于冷、热气流间温差很小（如仅十几度）的情况，也能实现一定的热回收。热管换热器也适用于热气流被冷却到露点以下,即出现冷凝的情况,可用于溶剂的回收。2、热管技术在航天器上的应用

（1)在温度均匀化方面的应用热管可使卫星各部件之间，甚至整个卫星结构的等温化成为可能，卫星结构的等温化对于整个温度控制系统将有很大的改善。仪器之间温度均匀化，可使仪器设备能在更适宜的温度下工作；结构的等温化，使受照面太阳能电池的温度降低，从而提高输出功率并延长寿命。减少因温差而引起的结构变形，对卫星上的大型光学系统特别重要。(2)在散热和温度控制方面的应用由于热管具有变换热流密度的功能，因此人们利用可变热导热管和辐射散热表面结合组成热管辐射器，可以排散大功率行波管集电极的废热。热管也可以用来冷却高热流密度的组件。热管用于空间辐射器比泵式液体循环辐射器有几个突出的优点，如提高了系统的可靠性，减小了重量，而且能够进行温度调节。3、用于电机及电器设备的冷却（1）电机冷却热管用于电机冷却可以分为两种形式:一种是装在电机定子和转子的发热部位，把热量导出到电机两端容易散热的部位，从而降低电机的温升，这种方法需要适当地改变电机的结构。另一种是旋转热管电机，这种电机的转子为空心轴，空心轴本身作成旋转热管，电机转子的热量通过旋转热管带到电机的一端散掉，同时定子绕组的温升也有所降低。两种形式热管的使用，在保持绕组绝缘和耐热要求的条件下，可以提高电机的功率。（2）其它电器设备的冷却4、热管用于电子元件及微型组件的散热对电子元件或部件进行热控制是电子设备向前发展的重要问题，由于技术的进步，电器设备向大功率、紧凑化方向发展，所以单位体积产生的热量很大,与此同时,有效的散热面积却相应缩小,从而使散热问题更为突出。要设计一个有效的传热系统,其中一个重要因素是减小热源和冷源间的热阻。热管以其高传热性能和温度可控性使其能在电子器件的热控制方面发挥作用。

以上主要列举了热管应用的几个方面,综合起来说,热管的应用领域有以下方面：（1）反应堆的冷却；（2）空间核动力；（3）均温；（4）炉子；（5）自动阻风阀；（6）发动机的冷却；（7）化油器加热；（8）汽车；（9）钻头和刀具的冷却；（10）机械模具；（11）铸造模具的冷却；（12）干燥器、熔炉、锅炉、省煤器和空气预热器；（13）蒸汽发生器；（14）废热回收；（15）排气；（16）去硫器；（17）过程热交换器；（18）烤炉、煎饼用的浅锅和冰冻贮藏；（19）烹调用的小刀；（20）厨房设备；（21）储热器；（22）温室加热；（23）空气调节；（24）水泥房冷却；（25）冰袋、局部冷却器；（26）医疗；（27）冷却器、回热器；（28）太阳能；（29）MC主轴和气轮机等的冷却；（30）机械制造；（31）旋转机械