熱管散熱技術——電子設備熱設計大作業(yè)

1、harbin institute of technology題 目： 熱管散熱技術 院 系： 能源學院 班 級： 1002104 姓 名：林家勇 田赫 郭男杰 段亮亮 李勇 哈爾濱工業(yè)大學熱管散熱技術林家勇，田赫，郭男杰，段亮亮，李勇（哈爾濱工業(yè)大學熱能與動力工程、1002104班）摘 要：熱管技術是20 tit紀 60 年代出現(xiàn)的一種傳熱新技術 ，其導熱能力超過任何已知金庸 的導熱能力 ，在散熱器和l造行業(yè) 占有重要的地位，本文從熱管的基本原理 、特性、類別、相容 性、熱管的制造及加工工藝和熱笛的應用與發(fā)展等幾個方面對熱管技術作一簡要的闡述 。 關鍵詞：熱管技術 管殼 管芯 工質(zhì)abstra

2、ct: heat pipe technology is a heat conduction innovation emerged in 1960s, of which the heat conduction capability is superior to all other existing metal. heat pipe plays vey important role in heat sink manufacturing industry. in this paper, the working principle, characteristic , category, compati

3、bility, workmanship and application of heat pipe is introduced.key words: heat pipe technology pipe shell pipe core refrigerant1 前言熱導管（或稱熱管）系一種具有快速均溫特性的特殊材料，其中空的金屬管體，使其具有質(zhì)輕的特點，而其快速均溫的特性，則使其具有優(yōu)異的熱超導性能；熱管的運用范圍相當廣泛，最早期運用于航天領域，現(xiàn)早已普及運用于各式熱交換器、冷卻器、天然地熱引用等，擔任起快速熱傳導的角色，更是現(xiàn)今電子產(chǎn)品散熱裝置中最普遍高效的導熱（非散熱）元件。2 熱管結(jié)構(gòu)類型與

4、特點熱管典型結(jié)構(gòu)以及工作原理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聯(lián)的主要過程： (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；

5、 (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發(fā)段。熱管規(guī)格如下直徑 mm長度 mm 備注3 0-280 圓熱管 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 4 0-280 圓熱管 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 5 0-280 圓熱管 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 6 0-280 圓熱管 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 6.35 0-280 圓熱管 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 8 0-280 圓熱管 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 10 圓熱管 底座 銅網(wǎng) 25.4 30-100 圓熱管 底座

6、燒結(jié) / 銅網(wǎng) t=3 0-280 壓扁 燒結(jié) / 銅網(wǎng) t=4 0-280 壓扁 燒結(jié) / 銅網(wǎng) t=5 0-280 壓扁 燒結(jié) / 銅網(wǎng) 熱管工質(zhì)特性如下表工質(zhì)名稱 熔點 c 沸點 c 臨界溫度 c臨界壓力 pa 工作溫度范圍 c 品質(zhì)因數(shù) n kw/m2甲 烷 -184 -161 -82 45x105 -173-100 氨 -78 -33 132 112.7x105-60 100 11.8x107氟里昂 21 -135 9 179 50.96x105-103 127 2.2x107氟里昂 11 -111 24 198 43.12x105-40120 1.2x107戊烷 -130 28 1

7、97 32.24x105-20120 1.6x107氟里昂 113 -35 48 197 53.9x105-10100 7.3x107丙酮 -95 57 237 47.04x1050-120 3.2x107甲醇 -98 64 240 78.4x10510-130 4.7x107乙醇 78 243 61.74x1050-130 2.9x107庚醇 -90 98 267 26.46x1050-150 1.2x107水 0 100 374 219.52x10530-200 4.6x107導熱姆 a 12 257 150-395 1.9x107液芯類型單層、多層絲網(wǎng)格吸液芯，燒結(jié)粉末吸液芯，軸向槽道吸

8、液芯，組合型吸液芯。 常用吸液芯特性如下表吸液芯型式 特征尺寸m 有效毛細孔徑x10 -3m 最大提升高度 (100c 水 ),mm 滲透率 x10-10m2 30 目網(wǎng)芯 0.5x10-3 0.43 29 25 100 目網(wǎng)芯 0.14x10-3 0.12 104 1.8 200 目網(wǎng)芯 0.07x10-3 0.063 197 0.55 燒結(jié)氈或粉末 0.01-0.1 1250-125 0.1-10 軸向槽道 0.25-1.5 0.25-1.5 50-8 35-1250 金屬纖維 0.01-0.05 125-350 0.1-0.5 熱管折彎工藝折 彎 規(guī) 格 管徑（mm） 最小折彎 r （m

9、m） 建議 r （mm）最小折彎角 建議彎角 3 9 12 90 120 4 12 16 5 15 20 6 18 24 8 24 32 9 27 36 9.35 28 37 熱管的傳熱原理及其應用特點 在眾多的傳熱元件中，熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可將大量的熱量通過其很小截面積遠距離地傳輸而無需外加動力。國際上對熱管技術的研究和應用是在20世紀60年代開始的。我國在這方面的研究起始于上世紀70年代，當時主要側(cè)重的方向為電子器件冷卻和空間飛行器上的應用。80年代初，我國的熱管研究和開發(fā)重點轉(zhuǎn)向節(jié)能和能源的合理利用，相繼開發(fā)了熱管氣氣換熱器、熱管余熱鍋爐、高溫熱管蒸汽發(fā)生器等各類熱

10、管產(chǎn)品。由于碳鋼水重力熱管的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、制造方便、易于推廣，使得此類熱管得到了廣泛的應用。隨著科學技術的不斷提高，熱管研究和應用的領域也在不斷拓寬。目前，熱管及熱管換熱器已廣泛應用于石油、化工、動力、冶金、建材、輕工等領域的高效傳熱設備，以及電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦cpu冷卻及電路控制板等的冷卻。目前，除微型熱管已批量化、大規(guī)模生產(chǎn)外，工業(yè)中余熱回收用的熱管換熱器由于各種設備規(guī)模、大小、使用情況的不同，幾乎每臺設備都根據(jù)設備的工藝條件、現(xiàn)場情況設計、制造。熱管結(jié)構(gòu)分類 1、 熱熔渣結(jié)構(gòu)從字面上解釋，這種熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就像是燒焦的蜂窩煤或是熱爐渣?？此拼植诘膬?nèi)壁中，遍布各種細小的孔洞

11、。他們就像是人身體上的毛細血管一樣。熱管內(nèi)的液體會在這些小孔中穿梭，形成強大的虹吸力量。事實上，制作這樣熱管的工藝比較復雜，將銅粉加熱到一定溫度，在其未完全融化的之前，銅粉顆粒額邊沿會首先融化，粘連四周的銅粉。這樣就形成了現(xiàn)在你所見到的鏤空結(jié)構(gòu)。從圖中看，也許會認為它非常綿軟，但事實上，這種熱熔渣既不綿軟也不松散，而是非常堅固。因為它是銅粉經(jīng)過高溫加熱的物質(zhì)，所以在他們冷卻之后，就恢復了金屬本來的堅硬質(zhì)感。另外從制造的角度看，這種制程和結(jié)構(gòu)的熱管制造成本較高。 2、 溝槽結(jié)構(gòu)溝槽結(jié)構(gòu)溝槽結(jié)構(gòu)溝槽結(jié)構(gòu) 這種熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設計就像是一條條平行的溝渠一樣。它的作用也是像毛細血管一樣，回流的液體通過這

12、些溝槽迅速在熱管中進行傳導。但是根據(jù)開槽的精密細膩情況，根據(jù)制程的工藝水平和溝槽的方向等，會對熱管的散熱造成很大的影響。從生產(chǎn)成本的角度來看，這種熱管的制造相對簡單，更容易制作，制造成本相對低廉。但是對于熱管溝槽的加工工藝要求更高。一般說來，順著液體回流的方向是最好的設計。由此從理論上來說，不如前者的散熱效率高。 3、 多重金屬網(wǎng)孔多重金屬網(wǎng)孔多重金屬網(wǎng)孔多重金屬網(wǎng)孔 更多更普遍的熱管散熱器內(nèi)部使用的是這種多重金屬網(wǎng)孔設計。從圖中，你不難看出，這熱管芯里面的絮狀東西，就像是一頂戴糟了的破草帽。一般這種熱管內(nèi)部使用的是一種由銅線制作的金屬織物。細小的銅線之間存在許多空隙，但是織物的結(jié)構(gòu)又不會讓織

13、物錯位阻塞熱管。如果你剛剛切開一個熱管，你能明顯發(fā)現(xiàn)，里面的多重金屬網(wǎng)會顯得非常潮濕。你用手摸到的液體，就是熱管內(nèi)部的回流液體。從成本的角度看，這種熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單許多，制作起來也更加簡單。僅需一只普通銅管，填充這些多重金屬網(wǎng)孔織物即可。從理論上來說散熱效果不如前面二者。熱管制造 熱管的主要部件為管殼、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。1、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20

14、0mm，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。2、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內(nèi)徑，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，焊口光滑平整質(zhì)量容易保證。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。3、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的發(fā)展，各

15、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)作出簡略的介紹。4、 連接部件因不同環(huán)境差別很大，故不作具體介紹。管芯部件一個性能優(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；較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率；良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻；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

16、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。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

17、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回流通道，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。由于其抗重力工作能力極差，不適于傾斜（熱端在上）工作。但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，可是其徑向熱阻大。組

18、合管芯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?；咎匦詿峁苁且揽孔陨韮?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。1、 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，不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)嵝院軓姡瑥较虿o太大的改善（徑向熱管除外）。2、優(yōu)良的等溫性

19、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、熱流方向的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

20、放熱后吸熱的化學反應器及其他裝置。5、熱二極管與熱開關性能熱管可做成熱二極管或熱開關，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）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，熱管各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

21、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（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

22、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很多，常用的分類方法有以下幾種：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。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。水熱管、銅鋼復合水熱

23、管、鋁丙酮熱管、碳鋼榮熱管、不銹鋼鈉熱管等等。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。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、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。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。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)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。工作液體物性惡化有機工作介質(zhì)在

24、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。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。熱管散熱的應用特點1、整體式換熱器特點：（1）、傳熱效率高，熱管的冷、熱側(cè)均可根據(jù)需要采用高頻焊翅片強化傳熱，彌補一般氣氣換熱器換熱系數(shù)低的弱點。（2）、有效地避免冷、熱流體的串流，每根熱管都

25、是相對獨立的密閉單元，冷、熱流體都在管外流動，并由中間密封板嚴密的將冷、熱流體隔開。（3）、有效的防止露點腐蝕，通過調(diào)整熱管根數(shù)或調(diào)整熱管冷熱側(cè)的傳熱面積比，使熱管壁溫提高到露點溫度以上。（4）、有效的防止積灰，換熱器設計可采用變截面結(jié)構(gòu)，保證流體進出口等流速流動，達到自清灰的目的。（5）、無任何轉(zhuǎn)動部件，沒有附加動力消耗，不需要經(jīng)常更換元件，即使有部分元件損壞，也不影響正常生產(chǎn)。（6）、單根熱管的損壞不影響其它的熱管，同時對整體換熱效果的影響也可忽略不計。2、 分離式熱管換熱器的特點：（1）、裝置的受熱段和放熱段可視現(xiàn)場情況而分開布置，可實現(xiàn)遠距離傳熱，這就給工藝設計帶來了較大的靈活性，也給

26、裝置的大型化、熱能的綜合利用以及熱能利用系統(tǒng)的優(yōu)化創(chuàng)造了良好的條件。（2）、工作介質(zhì)的循環(huán)是依靠冷凝液的位差和密度差的作用，不需要外加動力，無機械運行部件，增加了設備的可靠性，也極大地減少了運營費用。（3）、放熱段與受熱段彼此獨立，易于實現(xiàn)流體分割、密封、因而能適用于易燃易爆等危險性流體的換熱，并且也可實現(xiàn)一種流體與多種流體的同時換熱。（4）、受熱段與放熱段管束可根據(jù)冷、熱流體的性能及工藝要求選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)，從而可有效地解決設備的露點腐蝕和積灰問題。（5）、根據(jù)工藝要求，可以將流體順、逆流混合布置，以適應較寬的溫度范圍。（6）、系統(tǒng)換熱元件由多片熱管管束組成，各片之間相互獨立，因此，

27、其中一片甚至幾片損壞或失效不會影響整個系統(tǒng)的安全運行。熱管原理熱管構(gòu)造熱管制作 熱管技術是1963年美國losalamos國家實驗室的g.m.grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛應用在宇航、軍工等行業(yè)，自從被引入散熱器制造行業(yè)，使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，采用熱管技術使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散

28、熱行業(yè)新天地。 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

29、，如此循環(huán)不止，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。 3 熱管技術的應用與發(fā)展熱管是美國通用發(fā)電機工程師gaugler 早在1942年就提出的理論，并且在1944年取得了專利。但是直到1963年，科學家george m.grover第一個發(fā)明并且成功地制造出了熱管，熱管才普遍地受到人們的重視，逐漸成為一種提高傳熱效率的元件。在上個世紀70年代后，熱管才由理論階段進入應用階段，但由于技術的不成熟以及高昂的成本，當時使用范圍僅僅限制在航天、核電等高端技術領域。當時在太空中運行的航天器由于其面向太陽和背向太陽的部件溫差太大，導致其無法正常工作且容易損壞，利

30、用熱管技術使其達到熱平衡良好地解決了這個問題。進入80年代后，隨著技術的不斷完善，以及成本的降低，熱管技術開始廣泛的進入大專院校、科研院所、民用工業(yè)、大型工業(yè)設備以及生產(chǎn)上。在大專院校、科研院所的電力電子產(chǎn)品和技術的研發(fā)過程中，散熱設計是其要解決的核心技術之一，采用熱管散熱技術既可避免風冷散熱的降溫效果有限，噪音大，風扇使用壽命短的缺點。又可避免水冷散熱體積大、安裝和維護不方便，容易滴漏、安全性不高，價格相對較高的缺點。 可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、節(jié)約設備投資、降低研發(fā)經(jīng)費，提高產(chǎn)品的性能和科技含量。又如在高原地帶鋪設石油管道或鐵路，使用熱管可以防止凍土層被破壞。利用熱管組成換熱器來回收工業(yè)生

31、產(chǎn)中的廢熱可節(jié)約大量的能源。在電力電子行業(yè)，因為熱管自冷散熱系統(tǒng)無需風扇、沒有噪音、免維修、安全可靠、使用壽命長，熱管風冷甚至自冷可以取代水冷系統(tǒng)，節(jié)約水資源和相關的輔助設備投資。此外，熱管散熱還能將發(fā)熱件集中，甚至密封，而將散熱部分移到外部或遠處，能防塵、防潮、防爆，提高電器設備的安全可靠性和應用范圍。因而廣泛應用在工業(yè)變流技術、軟啟動技術、變頻調(diào)速技術、無功補償技術等電力半導體分立器件、模塊和組件等電力電子設備上。可以說熱管散熱器的出現(xiàn)，是解決電力電子裝置散熱問題的重大突破。 以下是熱管散熱器在電力電子領域的應用實例：(1)1974年北京變壓器廠和中國電科院力學研究所研制出500a晶閘管熱

32、管風冷散熱器；(2)1978年重慶大學辛明道教授研制的500a晶閘管的熱管風冷散熱器，應用于重慶三江鋼繩廠的熱處理加熱爐電源；(3)1978年brost報道了西德研制出用于電力機車的大功率半導體元件冷卻的熱管散熱器；(4)1997年天津電氣傳動研究所研制成采用3英寸晶閘管熱管散熱器的大功率電源；(5)2000年北京先行新機電技術有限責任公司研制出利用熱管散熱器給變頻器的功率單元散熱的hvf2000型1000kw、10kv高壓變頻器；(6)2008年榮信電力電子股份有限公司研制的1600a晶閘管熱管自冷散熱器應用在福建德勝鎳業(yè)有限公司1150熱軋svc上并成功投運；(7)2008年榮信電力電子股

33、份有限公司研制的功率單元采用熱管散熱器，整機功率900kw、電壓等級6kv，rrf-d90a型高壓變頻器，成功運行在吉林通化八寶煤礦皮帶機上。其散熱功率達4000w。圖1圖3為榮信股份研發(fā)的svc晶閘管、大功率模塊用熱管散熱器。圖1 svc熱管散熱器自冷閥組圖2 svc晶閘管熱管散熱器圖3 高壓變頻器igbt功率單元熱管散熱器目前榮信股份的產(chǎn)品如高壓動態(tài)無功補償裝置-svc、高壓大功率靜止無功發(fā)生器-svg、高壓大功率變頻調(diào)速裝置-hvc、高壓有級變頻起動裝置-vfs、智能瓦斯排放裝置-mabz中應用熱管散熱器散熱的產(chǎn)品達90%以上，其散熱功率在750w8000w之間。進入上個世紀90年代，隨

34、著科學技術水平的不斷提高，熱管研究和應用的領域也在不斷拓寬，熱管開始朝著微型化、高效化發(fā)展。隨著微型熱管技術的出現(xiàn)，使得熱管在醫(yī)療手術、電子裝置芯片、筆記本電腦cpu的冷卻、電路控制板的冷卻、太陽能熱水器、太陽能電站、核電工程中的應用得到了極大的發(fā)展。進入21世紀，隨著社會信息化程度的不斷提高，it產(chǎn)品得到迅速發(fā)展和快速普及，it產(chǎn)品都在朝著高集成化、高速度化、高品質(zhì)化、小型化、“綠色”化的方向發(fā)展，在提高cup的同時，如何去解決散熱上的高效率以及無風扇的問題，熱管技術似乎給了我們一個很好的解決方案，于是它的目標又瞄準了it行業(yè)這個巨大的市場。目前熱管技術被廣泛應用在宇航、軍工、石油、化工、冶

35、金、機械、電力、電子、煤炭、鐵路、通訊、紡織、家電、it產(chǎn)品等領域。 熱管的應用領域非常廣泛，發(fā)展前景廣闊。隨著熱管技術的不斷發(fā)展，研發(fā)水平和制造工藝的不斷提高，熱管散熱器在散熱行業(yè)中會占有非常重要的地位。 熱管作為一種高效傳熱元件,正逐漸被人們所認識,并在各種節(jié)能換熱設備中發(fā)揮越來越重要的作用。經(jīng)過20多年的努力,我國先后開發(fā)成功了氣2氣熱管換熱器、熱管蒸汽發(fā)生器(余熱鍋爐)、高溫熱管(液態(tài)堿金屬熱管)蒸汽發(fā)生器、高溫熱管熱風爐,并在冶金、石油、化工、動力、陶瓷以及水泥等工業(yè)領域中應用取得了可喜的成果。當前熱管技術已日趨成熟,應用面逐步擴大。根據(jù)集約型經(jīng)濟發(fā)展模式和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標,結(jié)合當

36、今設備技術管理的發(fā)展趨勢安全、可靠、長周期運行和用新技術挖掘現(xiàn)有設備潛力,到2010年我國熱管技術發(fā)展將有兩大主題:一是推廣應用,將現(xiàn)有較為成熟的熱管產(chǎn)品標準化、系列化、規(guī)范其設計、制造、檢測質(zhì)量,使之成為工業(yè)生產(chǎn)中的常規(guī)設備,從而深入推廣熱管技術的應用;二是開發(fā)研究,充分發(fā)揮熱管技術的特點,綜合其他學科,進一步開發(fā)研究新型高效傳熱傳質(zhì)設備,使一些傳統(tǒng)設備發(fā)生變革,提高系統(tǒng)的安全可靠性和效率。下面簡單介紹了國內(nèi)外熱管技術動態(tài)，熱管技術在工業(yè)應用中具有廣闊應用前景的幾個重要特點和2010年可能完成并重點推廣的幾項新型熱管設備。1 國內(nèi)外熱管技術動態(tài)熱管自1964年正式在美國發(fā)明問世,至今已有30

37、年的歷史，作為一種新的傳熱元件,已不年輕,但作為一項傳熱技術,則仍處于幼兒時期。目前大規(guī)模理論研究的高峰已趨于下坡,而應用技術的研究正不斷上升,近兩年熱管及熱管市場呈現(xiàn)出興旺形勢。國際學術交流活動頻繁,全球性的熱管大會已從每4年一次增加到每2年一次,而在這兩年期間差不多每年又有國際性的區(qū)域研討會,新的應用專利也不斷出現(xiàn)。熱管應用的重點由航天轉(zhuǎn)移到地面,由工業(yè)化應用擴展到民用產(chǎn)品。目前國際發(fā)展最快的熱管技術為微型熱管技術,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、筆記本計算機的cpu、大功率晶體管、可控硅整流器、復印機內(nèi)發(fā)熱元件、電路控制板和印刷電路板(pcb

38、)。這些熱管的市場目前被日本及美國3家大公司所壟斷。美國的熱管換熱器應用近兩年呈上升趨勢,主要應用于家用空調(diào)。值得注意的是熱管元件及熱管換熱器產(chǎn)品的標準系列正在不斷完善,這將給大規(guī)模推廣應用帶來極大方便。我國的熱管技術開發(fā)研究一開始就具有明確的目標,即為工業(yè)化服務,因此重點在于開發(fā)碳鋼2水熱管換熱器。經(jīng)過20年的努力,我國的熱管技術工業(yè)化應用已處于國際先進水平。目前,氣2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、動力及陶瓷等工業(yè)領域。為了使熱管技術更好的發(fā)揮作用,南京化工大學正致力于強化碳鋼2水熱管內(nèi)部傳熱性能研究、低合金鋼2堿金屬的相容性研究及高溫熱管的安全性研究

39、,并結(jié)合化工生產(chǎn)工藝、研究開發(fā)一系列新型熱管設備。目前,一個國家級熱管技術研究推廣中心已在南京化工大學成立,這對于未來我國熱管技術的研究開發(fā)將發(fā)揮重大作用。2 熱管技術在工業(yè)中具有廣闊應用前景的幾個重要特點迄今為止,人們對熱管技術本身的重要特點還缺乏深入的理解，在研究開發(fā)及推廣運用中往往抓不住要點,得不到應有的效果,因而影響開發(fā)速度和效果。確定熱管技術有重大應用前景是基于以下熱管的本質(zhì)特征,這些特征已為近年來的工業(yè)應用所證實。熱管的二次間壁換熱特性是實現(xiàn)安全、可靠及長周期運行的重要保證。它能有效地減少連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)的停車?，F(xiàn)代化大生產(chǎn)追求效率,由于設備事故導致生產(chǎn)停車將會造成很大的損失,傳統(tǒng)的

40、間壁換熱設備只要有一處換熱元件損壞,必須停車檢修。熱管設備則不然,它是二次間壁換熱,即使由熱管群組成的換熱設備中的單根熱管破壞,兩種換熱流體也不可能互混,因而并不影響整體換熱的效果,亦無需停車檢修,這就使高效率的現(xiàn)代化連續(xù)大生產(chǎn)獲得了可靠的保證。這些熱管特性應用于高爐設備的風口、渣口、重要生產(chǎn)中的廢熱鍋爐沸騰床冷卻、反應設備的中間換熱、催化裂化的連續(xù)取熱、電石生產(chǎn)的余熱回收及有色冶金的余熱回收等重要生產(chǎn)過程中,必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)換熱設備而產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益。熱管的熱流變換及自吹灰特性是防止工業(yè)上換熱設備露點腐蝕及灰塵堵塞的重要技術保證?，F(xiàn)已證明大型電站鍋爐及各種工業(yè)鍋爐,含塵量大的工業(yè)余熱鍋爐以及其

41、他含塵換熱設備的堵塞及露點腐蝕引起的設備效率下降甚至被迫停車的事故,在改用熱管換熱器后可以防止和避免。在熱管技術開發(fā)中曾經(jīng)產(chǎn)生過的一種錯誤概念,即利用翅片管作為二次換熱面,雖然提高了換熱效率,但不適應含塵氣體的換熱,否則將會引起灰塵堵塞致使設備報廢,然而在不斷的工業(yè)實踐應用中人們發(fā)現(xiàn)翅片管換熱并不與積灰堵塞成等號。相反,只要求得一個最佳風速,不僅不會積灰反而可不斷磨刷垢層更新?lián)Q熱表面,保持高效換熱。在含有露點的氣體換熱過程中,可以巧妙地利用調(diào)整熱管兩側(cè)的翅片間距使管壁溫度保持在氣體結(jié)露溫度以上,避免因露點腐蝕引起的管壁穿孔和積灰堵塞。這種技術已在小化肥煤造氣爐的余熱回收、大型電站鍋爐的空氣預熱

42、器及高溫燃煤熱風發(fā)生器的應用中得到充分證實。熱管的均溫熱屏蔽及分離式熱管技術的完善,將可能解決化學反應器中溫度分布不均勻、反應過程偏離最佳反應溫度的缺陷、石油裂解中由于管壁溫度不均勻而出現(xiàn)的過熱分解以及核反應堆安全殼體的散熱等等問題。液態(tài)金屬熱管的出現(xiàn)及材料價格的下降,有可能實現(xiàn)在超高溫反應設備中實現(xiàn)連續(xù)取熱。如實現(xiàn)煤造氣爐的連續(xù)制氣、核電工程的新型熱管蒸汽發(fā)生器及緊湊高效液態(tài)金屬熱管換熱器技術的完善將取代玻璃和冶金等工業(yè)中的陶瓷換熱器。3 2010年完成并重點推廣的幾項新型熱管設備根據(jù)以上所述的熱管的基本特性及其在工業(yè)中可能發(fā)揮的作用,可以認為熱管技術的研究開發(fā)充滿了廣闊前景,從現(xiàn)在到201

43、0年還有12年的時間,根據(jù)目前的開發(fā)基礎及正在進行的工作可能有以下的新?lián)Q熱設備出現(xiàn)。適應于高溫高含塵氣體的大型熱管蒸汽發(fā)生器(余熱鍋爐)高溫高含塵氣體蒸汽發(fā)生器(余熱鍋爐)的可靠性一直是化學工業(yè)和其他工業(yè)界所重視的問題,典型的這類設備莫過于硫酸工業(yè)中沸騰爐后的高溫so2氣體的余熱鍋爐,一臺用于12.5萬t/a硫酸生產(chǎn)的so2熱管蒸汽發(fā)生器已于1996年11月在我國某廠運轉(zhuǎn)成功。這臺設備的運轉(zhuǎn)成功證明其原理及設計思想正確。隨著操作經(jīng)驗的積累及制造技術的完善,結(jié)構(gòu)設計將不斷改進,預計10年后其體積及金屬耗量均將比現(xiàn)在減少1/3以上。燃煤熱管高溫熱風發(fā)生器隨著精細化學工業(yè)的發(fā)展,對粉料噴霧干燥技術也

44、提出了更高的要求,在許多場合需要450600甚至更高溫度的熱風氣源,常規(guī)的換熱設備很難將空氣加熱到這一溫度范圍,如采用燃料煙氣往往會帶入污染物,產(chǎn)品質(zhì)量達不到要求。4熱管技術在化工及石化領域的應用熱管及熱管換熱器近年來在石油化工領域中的應用已愈來愈受人們的重視，它具有體積緊湊、壓力降小、可以控制露點腐蝕、一段破壞不會引起兩相流互混等優(yōu)點，提高的設備的運行效率和可靠性。它在石化領域的應用可謂是無所不在，如下所示為熱管換熱器在該領域的部分應用場合：在合成氨工業(yè)中：回收低溫余熱余熱助燃空氣，或生產(chǎn)低壓蒸汽作為原料；回收高溫余熱產(chǎn)生中壓蒸汽作原料蒸汽的補充，或生產(chǎn)高壓蒸汽作為生產(chǎn)的動力源；控制固定床催

45、化反應器的化學反應溫度，使其向最佳反映溫度曲線無限逼近，從而提高合成氨的效率。在硫酸工業(yè)中：沸騰焙燒爐沸騰層內(nèi)的余熱回收；so2爐氣余熱回收；so3氣體冷卻器；在石化領域中：熱管裂解爐；熱管乙苯脫氫反映器；熱管氧化反應器；催化裂化再生取熱器；5熱管技術在建材及輕紡織工業(yè)領域的應用建材行業(yè)如水泥、陶瓷等工業(yè)都要消耗大量的能量，以陶瓷為例，據(jù)統(tǒng)計，能源費占生產(chǎn)總成本的40%以上。開發(fā)新型高效節(jié)能設備將極大的促進此行業(yè)的發(fā)展。80年代國內(nèi)的許多單位應用熱管換熱技術回收陶瓷、水泥生產(chǎn)中排放的余熱取得了良好的節(jié)能效果，90年代高溫熱管技術的工業(yè)開發(fā)應用獲得成功，這些都為熱管技術的工業(yè)推廣打下了良好的基礎。如下是近年來熱管技術在建材、輕工業(yè)中成功應用的一些實例：高嶺土噴霧干燥熱風爐；十二醇硫酸鈉噴霧干燥；玻璃窯爐的余熱回收；水泥生產(chǎn)工業(yè)中的回轉(zhuǎn)窯冷卻機的余熱利用、廢尾氣余熱利用；懸浮預熱機、烘干機等熱工設備；陶瓷窯爐的隧道窯煙道氣余熱利用；電瓷廠遂道窯冷卻帶余熱利用；紡織工業(yè)中的熱定型機余熱回收利用、漿紗機的余熱回收等。6熱管技術在冶金工業(yè)中的應用冶金工業(yè)也是耗能大戶，不論是有色冶金或黑色冶金工業(yè)都存在大量的節(jié)能問題。以鋼鐵企業(yè)為例，焦爐、高爐及煉鋼工序均有相當數(shù)量的余熱未能