热管简介

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。管（heat pipe）技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu的散热器上。

从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中对流传导最快。热管是利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程（即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热），使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，直到热管两端温度相等（此时蒸汽热扩散停止）。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。环路式热管的出现被界内认为是两相流换热技术的重大新突破。但是随着应用的深入，在特定的使用场合也暴露了该热管的一些缺点。面对紧凑式、分散式、长距离、多点复杂的高热流密度热源的散热问题，由于自身结构和工作原理的限制，CPL和LHP已经显得几乎无能为力。科学工作者们遂开展了对外加动力热管的研究。

国内外研究现状

为了解决传统热管传热受长距离和冷热源方位限制的问题，前苏联国家科学院的Maidanik等人于1971年在传统热管理论的基础上提出了环路热管的概念，并于1972年设计加工出第一套环路热管。随后的十几年，环路热管在前苏联国内得到不断发展。1985年，Maidanik等人在美国为这种热管申请了专利。这个依靠毛细力驱动工质循环的自动传热装置曾先后被称为“Heatpipe”、“Heatpipewithseparatechannels”和“Antigravitationalheatpipe”，直到1989年，环路热管首次被应用于前苏联的航天器热控系统中，它才被国际上广泛关注，并最终被命名为“Loopheatpipe”，在国内业界称之为“环路热管”。90年代以后，环路热管因其优点受到了各国相关学者和空间飞行器热控设计工作者的广泛关注，许多国家都投入大量资金进行研究，各种结构形式、采用不同工质的环路热管不断在有关的学术会议上亮相。对环路热管的研究主要包括实验研究和分析、数学建模以及应用研究三个方面。

系统构成与工作原理

环路热管（LoopHeatPipe，LHP）一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。与早期结构的显著区别是将液体回流管线引入到蒸发器中心，这段回流管线称为液体引管。

LHP的工作原理：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。

LHP的正常运行要求毛细芯产生的毛细压力必须与工质在回路内循环的总压降相平衡，这些压降主要包括工质在蒸气槽道、蒸气管线、冷凝器、液体管线以及毛细芯内流动产生的摩擦压降以及反重力运行时液体回流所需克服的重力压降。

若工质在回路内循环的总压降超过毛细芯所能提供的最大毛细压力，蒸气将击穿毛细芯进入液体干道，工质的正常循环无法维持，LHP将无法正常运行。LHP在传统热管的基础上发展而来，它继承了传统热管的优点，同时克服了传统热管的固有缺陷和不足。LHP与传统热管最显著的区别为毛细结构的局部化设置，它只在蒸发器吸热区域布置毛细芯，将传统热管毛细芯的毛细抽吸功能与液体回流功能分离。对于LHP，液体经过光滑内壁管线回流，流动压降显著降低，因而可采用能提供很高毛细压力的微米级孔径毛细芯来克服重力的影响，同时不会产生增加液体回流阻力的负面影响。因此，LHP传热距离远，反重力能力强，解决了传统热管受到使用方位和长度限制的问题。此外，LHP将蒸气通道和液体通道分离，蒸气和液体分别在各自的管线内传输，从而杜绝了携带现象的发生。值得一提的是，蒸气管线和液体管线的分离使得LHP的安装变得灵活方便，不再受限于热源与热沉的方位和距离，这是相对传统热管的又一优势。

部件介绍

蒸发器

蒸发器是LHP的核心部件，它具有从热源吸收热量以及提供工质循环动力两项重要功能。经过数十年的改进和发展，目前较为普遍的结构形式，蒸发器本体主要包括蒸发器壳体、毛细芯和液体引管。毛细芯外侧的轴向槽道称为蒸气槽道（Vaporgroove），毛细芯内侧为液体干道（Liquidcore或Evaporatorcore）。毛细芯是蒸发器的核心元件，它提供工质循环动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，同时阻隔毛细芯外侧产生的蒸气进入储液器。目前常用的毛细芯结构如图1.6所示（俄罗斯国家科学院热物理研究所样品）。毛细芯一般是将微米量级的金属粉末通过压制、烧结等工艺成型，形成微米量级的孔径，图1.7给出毛细芯在电镜下的多孔结构图。

毛细芯内液体干道的设置是为了使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯进行供液。否则，液体从储液器沿轴向向毛细芯的供液阻力非常大，很容易造成供液不足，导致毛细芯产生轴向温差，甚至出现局部烧干现象。设置液体引管将回流的过冷液体直接引入到蒸发器中心，一方面，回流液体携带的冷量可用来平衡蒸发器透过毛细芯的径向漏热；另一方面，当液体干道内由于蒸发器的漏热产生了气泡或积聚了不凝性气体，从液体引管流出的过冷液体可以依靠自身携带的冷量对气泡进行冷却和消除，同时依靠自身的流动将这些不凝性气体或气泡推出液体干道，防止毛细芯内表面发生气塞现象，提高蒸发器的运行稳定性。

冷凝器

LHP系统的热导很大程度上取决于冷凝器与热沉之间的换热性能。早期对LHP的研究大多针对空间应用背景，冷凝器主要以辐射的形式向空间热沉释放热量，因而普遍采用将冷凝器管线嵌入冷凝器板的结构形式，地面实验中亦可采用简单的套管式冷凝器，使用恒温槽模拟热沉，泵驱动冷媒介质（如水、乙醇等）在套管内循环流动对冷凝器进行冷却。

传输管线

传输管线包括蒸气管线和液体管线。传输管线一般为细长的光滑内壁管（管径范围1-5mm），起到连接蒸发器和冷凝器的作用，从而构成工质循环流动的回路。工质在光滑内壁管内流动阻力小，且管线柔韧易于弯曲，对复杂应用场合具有良好的适应性。传输管线管径过小会造成工质流动阻力的增大，降低LHP的传热能力；而管径过大会导致回路中的工质充装量以及储液器体积的增大，同时管线的柔韧性变差。因此，应根据实际应用情况对传输管线的管径进行合理的选择。