熱管利用技術

1、 熱管利用技術代課老師：胡廣濤學生姓名：趙巖學生學號：1005300151學生專業(yè)：熱能與動力工程1 引言傳統(tǒng)散熱方式主要是空氣冷卻、強制風冷散熱以及水冷散熱。（1） 空氣冷卻也稱自然冷卻，一般是將電子元器件的發(fā)熱核心部位與型材散熱器相接觸，通空氣的自然對流方式將熱傳導出來。其優(yōu)點是結構簡單、安裝方便、成本低廉。缺點是散熱功率低（2） 風冷散熱這傳導出來，然后再通過風扇轉動，來加強空氣的流動，通過強制對流的方式將散熱片上的熱傳至周圍的環(huán)境。優(yōu)點：結構簡單，價格低廉，安全可靠，技術成熟。缺點：降溫的效果有限，不能達到令人滿意的程度，并且具有噪音，風扇的使用壽命也有限制。（3） 水冷散熱

2、其原理是利用水泵驅動水流經(jīng)過熱源，進行吸熱傳遞。優(yōu)點：水冷散熱效率高，熱傳導率為傳統(tǒng)風冷方式的20倍以上，可以解決幾百至數(shù)千瓦的散熱問題，是風冷效果所不能比擬的。因為即使是散熱效率最高的渦輪風扇風冷散熱，其溫度比水冷散熱也要高大約10；相比于風冷散熱，水冷散熱因為沒有風扇，所以不會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，也無風冷散熱的高噪音。缺點：需要良好的通風環(huán)境，并且體積大，安裝和維護不方便，容易滴漏、安全性不高，價格一般也相對較高。 (4) 熱管散熱熱管是一種具有極高導熱性能的新型傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到良好的制冷效果。具有極高的導熱性

3、、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管、igbt、igct等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導出。通過對上述幾種散熱方式的分析，我們不難看出，熱管散熱相對于其他幾種傳統(tǒng)散熱方式存在以下的優(yōu)勢： 熱管散熱技術具有散熱效果好，熱阻相對小，使用壽命長，傳熱快的優(yōu)點。熱管的熱導系數(shù)是普通金屬的100倍以上； 傳熱方向可逆，不管任何一端都能成為蒸發(fā)端和冷凝端； 優(yōu)良的熱響應性。熱管內(nèi)汽化的蒸汽能以接近音速的速度傳輸，從而有效的提高了導熱效果； 結構簡單緊湊，重量輕，體積小，維

4、護方便； 無功耗、無噪音、符合工業(yè)“綠色”的要求； 可以在無重力場的環(huán)境下使用。綜上所述：熱管傳熱利用熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源以外。采用熱管技術使得散熱器即便采用低轉速、低風量電機，甚至不需風機，完全采用自冷方式，同樣可以得到滿意的散熱效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題以及大功率電力模塊散熱問題得到良好解決，隨著熱管加工工藝的不斷改善，其可靠性、安全性、耐用性將會更加提高，而成本和價格也會進一步降低。熱管散熱器將有著傳統(tǒng)散熱器所無法比擬的優(yōu)勢，它的出現(xiàn)開辟了散熱行業(yè)的新天地。2 熱管的基本工作原理2.1 

5、工作原理物體的吸熱、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。熱傳遞有三種方式：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)部被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w（即工質(zhì)），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成。熱管一端為蒸發(fā)段（簡稱熱端），另外一端為冷凝段（簡稱冷端），當熱管蒸發(fā)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)不止，熱量由熱管一端傳

6、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。2.2 組成與工作過程典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3×(10-110-4)pa的負壓后充以適量的工作液體（即工質(zhì)），使緊貼管內(nèi)壁毛細多孔材料中的吸液芯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細芯中的液體蒸發(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)這一熱量轉移的過程中，包含了以下六個相互關聯(lián)的主要

7、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； (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； (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。3 熱管的基本特性熱管是依靠自身內(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。3.1 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

8、。當然，高導熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，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；熱管的軸向導熱性很強，徑向并無太大的改善(徑向熱管除外)。3.2優(yōu)良的等溫性熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(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。3.3 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

9、法難以解決的傳熱難題。3.4 熱流方向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，也可用于先放熱后吸熱的化學反應容器及其他裝置。3.5 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。3.6 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

10、分的溫度亦隨之變化。近年來出現(xiàn)了另一種新型熱管可變導熱管，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。3.7 環(huán)境的適應性熱管狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管可做成電機的轉軸、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)。4 熱管的分類由于熱管的用途、種類和型式較多，再加上熱管在結構、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

11、方法有以下幾種。 (1)按照熱管管內(nèi)工作溫度可分為：低溫熱管(-2730)、常溫熱管(0250)、中溫熱管(250450)、高溫熱管(4501000)等。 (2)按照工作液體回流動力可分為：有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉熱管、電流體動力熱管、磁流體動力熱管、滲透熱管等等。 (3)按管殼與工作液體的組合方式劃分(這是一種習慣的劃分方法)可分為：銅水熱管、碳鋼水熱管、銅鋼復合水熱管、鋁丙酮熱管、碳鋼萘熱管、不銹鋼鈉熱管等等。 (4)按結構形式區(qū)分可分為：普通熱管、分離式熱管、毛細泵回路熱管、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

12、管、熱二極管、熱開關、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。5 熱管的相容性及壽命熱管的相容性是指熱管在預期的設計壽命內(nèi)，管內(nèi)工作液體同殼體不發(fā)生顯著的化學反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容性在熱管的應用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才能保證穩(wěn)定的傳熱性能、長期的工作壽命及工業(yè)應用的可能性。碳鋼水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反應問題，才使得碳鋼水熱管這種高性能、長壽命、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，歸結起來，造成熱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

13、材料的腐蝕、溶解。(1) 產(chǎn)生不凝性氣體(2) 由于工作液體與熱管材料發(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冷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。(3) 工作液體物性惡化(4) 有機工作介質(zhì)在一定溫度下，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，或與熱管殼體材料發(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。(5) 管殼材料的腐蝕、溶解(6) 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

14、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。6 熱管制造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。不同類型的熱管對這些零部件有不同的要求。6.1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200mm，甚至更大。長度可以從幾毫米到l00m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

15、的要求。6.2 端蓋熱管的端蓋具有多種結構形式，它與熱管連接方式也因結構形式而異。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。6.3 吸液芯結構吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結構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，各國研究者在吸液芯結構和理論研究方面做了大量工作，下面對一些典型的結構作出簡賂的介紹。一個性能優(yōu)良的管芯應具有： (1)足夠大

16、的毛細抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑； (2)較小的液體流動阻力，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)良好的工藝重復性及可靠性，制造簡單，價格便宜。6.4 管芯的構造型式管芯的構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

17、善徑向熱阻大的缺點。網(wǎng)芯式結構的管芯可得到較高的毛細力和較高的毛細提升高度，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)燒結粉末管芯由一定目數(shù)的金屬粉末燒結在管內(nèi)壁面而形成與管壁一體的燒結粉末管芯，也有用金屬絲網(wǎng)燒結在管內(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

18、、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，可獲得精確的幾何參數(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，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)或金屬粉末，但它的滲透率較差，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

19、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。7 制造工藝如前所述，構成熱管的三個主要組成部分是管殼、管芯和工質(zhì)。在設計過程中，對管殼和管芯的材料進行合理的選擇后就可以開始制作。通常熱管的制造過程包括下面的主要工藝操作，并按一定的程序進行:熱管的機械加工及清洗管芯制作及清洗冷端封口熱端旋封檢漏注入工質(zhì)封頭檢漏縮徑性能測試。實際制造的時候工序要復雜的多。這里只是列出最簡單的一些必須工序。8 適用范圍和散熱功率熱管技術的應用領域很廣，下面著重談一下在電力電子領域的適用范圍和散熱功率。一般來說，電力電子設備在運行過程中，電力電子模塊的溫升應控制在4045，如果超出

20、這個范圍，則功率的耗散就會造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結溫升高，從而導致器件的性能隨結溫升高而降低，甚至會造成器件直接燒毀的后果。因此不論采用何種散熱方式，都有其散熱功率的限制?？諝饫鋮s或強制風冷技術大多應用在低功耗或中等功耗的器件或電子設備中。目前，采用先進風扇和優(yōu)化大面積熱沉，空氣冷卻技術的冷卻能力可達50w/cm2。水冷散熱效率高，熱傳導率為傳統(tǒng)風冷方式的20倍以上，目前可以解決幾百至數(shù)千瓦的散熱問題。熱管是一種傳熱效率極高的換熱元件，它的當量熱導率可達金屬的103104倍。目前已知的用于大功率電子元件散熱的熱管式散熱器最高散熱功率已達到200w/cm2。9 應用與發(fā)展熱管

21、又名熱導管或超導管。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