詳解熱管工作原理及其分類特性

熱管是一種新型的高效傳熱器件。具有導熱性能高、結構簡單、工作可靠、溫度均勻與等溫性等特點。可廣泛用於電子設備、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

圖1所示是一種典型的熱管原理圖，它是一個被抽成真空的容器（圓形管子或其他形狀）。熱管一般劃分為三部分：即蒸發段、絕熱段和冷凝段。在容器的內壁上設有與內壁形狀相一致的毛細管心，液相工質充滿整個管心。當工質在蒸發段受熱後開始蒸發，蒸汽帶著汽化潛熱被輸送到另一端冷凝，並放出汽化潛熱，然後靠毛細泵力的作用使冷凝液返回到蒸發段完成一個循環。利用這種方法，把熱能高效率地從一端傳至另一端。

圖1

熱管的工作原理：在熱管未工作前，工質的液面與管心平齊。當發熱元件與蒸發段接觸後，便將熱量傳給管壁、管心和工質；工質受熱後吸收汽化潛熱變為蒸汽，蒸發段的蒸汽壓力高於冷凝段，因此兩端形成壓力差，該壓差驅動蒸汽從蒸發段到冷凝段。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。由於蒸發的原因，在蒸發段的工質液面進入管心的毛細孔內形成彎月面，在這里形成毛細泵力，將冷凝液抽回到蒸發段，完成一個工作循環。只要工質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

由於熱管是高效的傳熱器件，它具有以下一些特性。

（1）傳熱能力強由於熱管的傳熱主要依靠工作液（含液態金屬）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。而用於熱管的多數工作液體（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於蒸汽的溫度分布、相變時的溫差以及管壁與毛細心溫差等。蒸汽處於飽和狀態時，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越大，其等溫性就越好。其當量導熱系數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於熱管中蒸發和冷凝的空間是分開的，因此可以做到熱流密度的變換，在蒸發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範圍內進行控制。

（4）具有恒溫特性當熱管內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傳熱量的變化，達到使蒸發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的特性

2 熱管的分類

1）根據熱管的工作溫度範圍分類

（1）深冷熱管工作溫度範圍為－170～－70℃的熱管稱為深冷熱管，其工作介質（工作液）可採用純化學元素物質（如氦、氬、氮、氧等）或化合物（如氟利昂、乙烷等）。

（2）低溫熱管工作溫度範圍為－70～270℃。其工作介質可選用水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有機物。

（3）中溫熱管工作溫度範圍為270～470℃。其工作介質可選用導熱姆（聯苯－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。其工作介質可選用鈉、鉀、鋰、鉛、銀及其他高沸點的液態金屬。

2）根據熱管內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段的熱管。

（2）毛細吸液心熱管由多孔性的毛細吸液心產生的毛細作用力，將冷凝液抽吸回蒸發段的熱管。

（3）旋轉熱管旋轉體內部為一個錐形的密封腔，內壁不裝管心，蒸發段的內徑大於冷凝段的內徑，當高速旋轉時，利用離心力使工作液沿壁面的分量，把冷凝液送回到蒸發段。由於離心力的分量較大，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採用高電阻材料。

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。

圖2

（3）蒸汽流量調節熱管蒸汽流量調節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；當蒸汽流過節流閥時流量減小了一個數量級，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（見圖2（c））。可見節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 控制返回蒸發段的冷凝液，使蒸發段局部幹涸，熱導減少；③ 改變蒸汽流動的通道，使蒸汽流的熱阻增加（相當於熱流量降低）；在冷凝段內充填惰性氣體，如氮、氦、氬等。當熱管啟動後，蒸汽流將惰性氣體驅向冷凝段，由於惰性氣體不傳熱，因此相當於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，做到熱管的恒定熱流作用。

圖3