熱管技術(shù)百科 熱管的工作原理
熱管技術(shù)是1963年美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George 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(dǎo)原理與相變介質(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(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。
基本簡介
熱管（heat pipe）技術(shù)以前被廣泛應(yīng)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(shè)計思路，擺脫了單純依靠高風(fēng)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(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問題得到良好解決，開辟了散熱行業(yè)新天地?，F(xiàn)在常見于cpu的散熱器上。
從熱力學(xué)的角度看，為什么熱管會擁有如此良好的導(dǎo)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來看（輻射、對流、傳導(dǎo)），其中對流傳導(dǎo)最快。熱管是利用介質(zhì)在熱端蒸發(fā)后在冷端冷凝的相變過程（即利用液體的蒸發(fā)潛熱和凝結(jié)潛熱），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)部是被抽成負壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?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。熱管一端為蒸發(fā)端，另外一端為冷凝端，當(dāng)熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速汽化，蒸氣在熱擴散的動力下流向另外一端，并在冷端冷凝釋放出熱量，液體再沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止，直到熱管兩端溫度相等（此時蒸汽熱擴散停止）。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來。
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1.3×（
)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(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(guān)聯(lián)的主要過程：
⑴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；
⑵液體在蒸發(fā)段內(nèi)的（液－－汽）分界面上蒸發(fā)；
⑶蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；
⑷蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽．液分界面上凝結(jié)：
⑸熱量從（汽－－液）分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源：
⑹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。
工作原理
在加熱熱管的蒸發(fā)段，管芯內(nèi)的工作液體受熱蒸發(fā)，并帶走熱量，該熱量為工作液體的蒸發(fā)潛熱，蒸汽從中心通道流向熱管的冷凝段，凝結(jié)成液體，同時放出潛熱，在毛細力的作用下，液體回流到蒸發(fā)段。這樣，就完成了一個閉合循環(huán)，從而將大量的熱量從加熱段傳到散熱段。
當(dāng)加熱段在下，冷卻段在上，熱管呈豎直放置時，工作液體的回流靠重力足可滿足，無須毛細結(jié)構(gòu)的管芯，這種不具有多孔體管芯的熱管被稱為熱虹吸管。熱虹吸管結(jié)構(gòu)簡單，工程上廣泛應(yīng)用。
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。
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數(shù)量級的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對而言的，溫差總是存在的，不可能違反熱力學(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?，徑向并無太大的改善（徑向熱管除外）。
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。
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。
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，也可用于先放熱后吸熱的化學(xué)反應(yīng)器及其他裝置。
熱二極管與熱開關(guān)性能
熱管可做成熱二極管或熱開關(guān)，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(guān)則是當(dāng)熱源溫度高于某一溫度時，熱管開始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時，熱管就不傳熱。
恒溫特性（可控?zé)峁埽?/strong>
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，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(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，實現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。
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，熱管可做成電機的轉(zhuǎn)軸、燃氣輪機的葉片、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）。
相關(guān)曲線圖
左圖表示了熱管管內(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：
⑴按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分熱管可分為低溫?zé)峁埽èD273－－－0℃）、常溫?zé)峁埽?―250℃）、中溫?zé)峁躘250－－－450℃）、高溫?zé)峁?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。
⑶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。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。
⑷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。
⑸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(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。
相容性及壽命
熱管的相容性是指熱管在預(yù)期的設(shè)計壽命內(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(yīng)用的可能性。碳鋼－水熱管正是通過化學(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(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。
⑴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)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。
⑵工作液體物性惡化有機工作介質(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、烴類等有機工作液體易發(fā)生該類不相容現(xiàn)象。
⑶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(dāng)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?zé)峁苤小?/p>
熱管制造
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。不同類型的熱管對這些零部件有不同的要求。
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(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。
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。
管芯
1、一個性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有：
⑴足夠大的毛細抽吸壓力，或較小的管芯有效孔徑；
⑵較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率；
⑶良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻；
⑷良好的工藝重復(fù)性及可靠性，制造簡單，價格便宜。
2、管芯的構(gòu)造型式大致可分為以下幾類：
⑴緊貼管壁的單層及多層網(wǎng)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(fù)性差又不能適應(yīng)管道彎曲的情況，故在細長熱管中逐漸由其它管芯取代。
⑵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(fù)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。
⑶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(fù)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。
⑷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。
制造工藝
吸液芯型熱管制作工藝
如前所述，構(gòu)成熱管的三個主要組成部分是管殼、管芯和工質(zhì)。在設(shè)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工藝操作，并按一定的程序進行。
1、機械加工－－－2、清洗－－－3、管芯制作－－－4、清洗－－－5、焊接－－－6、檢漏－－－－7、除氣－－－8、檢漏－－－9、充裝－－－10、封接－－－11、烘烤－－－12、檢驗
實際制造的時候往往能達到20，甚至上百道的工序。這里只是最簡單的一些必須工序。
重力熱管制作工藝
重力熱管主要由管殼、端蓋、工質(zhì)三部分組成，其通常制作工藝如下：
1、機械加工（管殼、端蓋，或者直接采購）――2、前處理（管殼、端蓋除油除銹）――3、烘干――4、端蓋焊接（氬弧焊，焊口打磨）――5、充裝工質(zhì)――6、排空氣（烘烤）――7、封頭焊接（氬弧焊）――8、檢驗
關(guān)鍵工序為：6、排空氣，7、封頭焊接
重力熱管工作原理圖
來源:學(xué)機械就是這么簡單
建筑資質(zhì)代辦咨詢熱線：13198516101
咨詢熱線：13198516101 
