【正文】 31所示： 圖31 熱管的傳熱極限圖中1～2是代表粘性極限，它意味著熱管中蒸汽流動的粘滯阻力限制了熱管的最大傳熱能力；2～3代表聲速極限，即由于熱管內(nèi)蒸汽流速在某一點達到了當?shù)芈曀俣拗屏藷峁艿膫鳠崮芰Γ?～4代表攜帶極限，這是由于熱管內(nèi)部蒸汽流速過高，將逆向回流的冷凝液體部分地從汽液交界面上“撕落”下來，攜帶往熱管的冷凝段，從而破壞了熱管的正常工作并達到的傳熱極限；4～5代表熱管的毛細極限，所謂毛細極限是指熱管在工作條件下，內(nèi)部的汽、液循環(huán)流動所產(chǎn)生的壓力降和重力場對管內(nèi)流體的影響，由此而帶來的壓力損失恰好與熱管內(nèi)吸液芯所能產(chǎn)生的最大毛細壓頭相平衡，此時所達到的熱管傳熱極限稱為毛細極限；5～6代表沸騰極限，它是熱管加熱段吸液芯中的液體受熱沸騰所產(chǎn)生的氣泡阻礙了正常液體的回流，或由于徑向熱流密度過大，從而形成膜態(tài)沸騰，使得壁面干涸所產(chǎn)生的傳熱極限。（3）最大毛細壓力 對350目絲網(wǎng)，仍假定其絲間距與其絲直徑相等，則： 絲網(wǎng)產(chǎn)生的最大毛細壓力為： （4）滲透率 由《熱管技術(shù)理論》表23可查得卷繞絲網(wǎng)滲透率為： ，而 代入數(shù)值后，有： （5）由《熱管技術(shù)理論》式321，得吸液芯截面積： （6）吸液芯層數(shù) 已知絲徑，每層絲網(wǎng)厚為，故層數(shù)： 為使熱管有較大的富余能力，取層，故實際網(wǎng)厚： 實際蒸汽腔直徑 即：可近似取 驗算毛細極限和計算傳遞的最大功率 吸液芯實際厚度下的毛細極限為： 假設(shè)甲醇蒸汽在熱管中的流動為層流流動，則蒸汽摩擦系數(shù)： 液體摩擦系數(shù)： 將上述數(shù)值代入《熱管技術(shù)理論》式320得： 可見設(shè)計的吸液芯滿足要求。熱管仰（傾）角為。一般說來，一根熱管所要傳遞的最大軸向熱流量是已知的，由《熱管技術(shù)理論》式2104得：故：式中：——蒸汽腔直徑，；——單根熱管傳遞的最大熱流量，；——蒸汽的熱流密度，；——汽化潛熱，；——是蒸汽比熱容比，單原子蒸汽等于5/3，雙原子蒸汽為7/5，多原子蒸汽為4/3；——蒸汽的氣體常數(shù)，等于通用氣體常數(shù)除以蒸汽的分子量，即 （），則；——蒸汽的溫度，℃。 所以： 傳熱管數(shù)目的計算蒸發(fā)段長度，冷凝段長度。故對于蒸發(fā)段，蒸發(fā)段吸液芯有效導(dǎo)熱系數(shù)：對于冷凝段，冷凝段吸液芯有效導(dǎo)熱系數(shù)： 熱管采用的是Q235型號碳素結(jié)構(gòu)鋼，查得。 設(shè)和分別為充滿液體的吸液芯在蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱熱阻，若不考慮吸液芯中所發(fā)生的對流傳熱的影響，則和仍可看成是通過圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻，不過在考慮的時候應(yīng)采用有效的導(dǎo)熱系數(shù)。材料許用應(yīng)力：熱管最大容許工作壓力的計算： 式中：――熱管壁厚，；――熱管外徑。根據(jù)我國管材標準GB151，管外徑32的碳鋼熱管。（5)材料致密，滲透率要小。（3）工藝性好首先要求材料有良好的焊接氣密性，例如用鋁合金作管殼時，應(yīng)選用焊接氣密性好的純鋁或鋁—鎂合金（防銹鋁），一般不采用常用的結(jié)構(gòu)材料鋁銅合金，如LY—12，因它的焊接氣密性較差。一般情況下，熱管殼體均為金屬材料制成，但在特殊情況下，如要求熱管具有電絕緣性能時，也有用非金屬材料（如陶瓷）作熱管殼體的。 管殼材料的選擇及強度計算管殼的作用是將工質(zhì)與外界環(huán)境隔離，因此對它的基本要求就是密封不漏，并能承受內(nèi)、外壓差?！鏁r的物性數(shù)據(jù)[10]： 甲醇在48℃時的物理性質(zhì)：空氣在25℃時的物理性質(zhì)： 物理性質(zhì)表物性甲醇（48℃）空氣（25℃）密度 比熱 導(dǎo)熱系數(shù) 普蘭特準數(shù)粘度 估算熱管的工作溫度 已知：℃，℃則熱管工作的平均溫度為：℃ 推動力的計算 ℃ 軸承產(chǎn)熱的計算軸承的摩擦損失在軸承內(nèi)部幾乎全部變?yōu)闊崃?，因而致使軸承溫度升高，軸承的發(fā)熱量可以用以下公式進行計算[11]： 式中： ――軸承摩擦發(fā)熱量，； ――摩擦力矩，； ――軸承轉(zhuǎn)速， ；摩擦力矩的估算公式為： 式中： M ——摩擦力矩，； ——軸承摩擦系數(shù)，的取值見表23[4]，本設(shè)計??； ——當量動載荷，； ——軸承的公稱內(nèi)徑，；由查軸承標準，選用極限轉(zhuǎn)速為22000的軸承，其型號為61905。取管內(nèi)熱流體（甲醇）溫度。根據(jù)設(shè)計所給熱管工作溫度在40～60℃這個區(qū)間，這一區(qū)間可選的工質(zhì)有氨、甲醇和氟利昂。在中溫區(qū)的高溫端，即500K～700K范圍內(nèi)，合適的工質(zhì)較少。而且能與鋁、鋼等工程材料長期相容，凝固點也低，因此在衛(wèi)星、飛船上得到了廣泛的使用。這是迄今使用最為廣泛的一類熱管。低溫工質(zhì)的特點是傳輸系數(shù)均很小，毛細升高系數(shù)也很小。用氦做工質(zhì)，可以在4K下工作。工質(zhì)的選擇取決于使用要求。高速主軸在高速旋轉(zhuǎn)時，和軸承產(chǎn)生大量的熱量，如不及時導(dǎo)走，將會影響系統(tǒng)的正常運行。熱管表面溫度是由真空中的蒸汽溫度控制的，而熱管內(nèi)部的各部分熱阻很小，受溫度變化不大，當加熱量變化時，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫度也會發(fā)生均勻變化。只要是蒸發(fā)段的溫度稍微高于其冷凝段的溫度，熱管就會快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)蒸發(fā)段溫度與冷凝段溫度之間的溫度差。熱管內(nèi)部主要靠工作液體汽、液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。在冷凝段，蒸汽碰到管外冷卻流體，進行冷熱交換，釋放出蒸發(fā)段的熱量蒸汽由于失去了熱能，便著附在冷凝段吸液芯中的形成凝結(jié)液，凝結(jié)液在吸液芯毛細力的作用下，返回到蒸發(fā)段再吸熱。熱管作為目前人類已知最高效的傳熱元件之一，熱管是通過將工質(zhì)密封在高真空腔體中，依靠工質(zhì)的相變進行傳熱，其工作是連續(xù)的，能將大量熱量通過很小的截面積遠距離傳輸而且無需外加動力，由于沒有失效的運行部件，所以熱管運行非?？煽?。毛細吸液芯緊貼于殼體內(nèi)壁。由于制作熱管時的真空很高，所以除非是溫度比工作液凝固點還低，熱管內(nèi)汽液兩相共存的工作介質(zhì)通常是飽和的。所以熱管殼體任何道焊縫都要經(jīng)得起高真空檢漏及一定壓力的嚴格考驗。熱管的典型結(jié)構(gòu)如圖11所示，熱管由熱管殼體、工作介質(zhì)、毛細吸液芯三部分組成。其中：中科院工程熱物理研究所和上海711研究所進行了分離式熱虹吸管組換熱特性的研究；上海海運學(xué)院進行了分離式熱管換熱器的模型實驗研究；東北工學(xué)院進行了分離式熱管元件充液量理論分析和實驗研究；重慶大學(xué)進行了分離式熱管的流動和傳熱研究；南京化工大學(xué)進行了分離式熱管的凝結(jié)換熱和傳熱極限[5]的研究；西安交通大學(xué)進行了分離式熱管蒸發(fā)段的試驗研究的充液量分析；華東船舶工業(yè)學(xué)院進行了大型分離式熱管換熱器的模型實驗研究；哈爾濱工業(yè)大學(xué)進行了熱管供熱系統(tǒng)與熱水供暖系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性比較研究，均取得了一定的成果。國外分離式熱管的研制開始20世紀80年代。我國于1970年開始對有吸液芯的熱管進行研究，1972年我國第一支鈉熱管研制成功，至80年代初我國從事熱管研究的科研單位及大專院校已遍及全國[3]。研究表明：利用高效的熱管導(dǎo)熱技術(shù)，能迅速帶走主軸電機和主軸軸承上的熱量，能有效控制溫升，最大限度的減少由于高速主軸產(chǎn)生的熱量引起的系統(tǒng)故障，同時也將大大提高軸和軸承的使用壽命。本設(shè)計通過向高速旋轉(zhuǎn)主軸真空系統(tǒng)引入熱管，利用熱管的高效導(dǎo)熱性，將軸承產(chǎn)生的大量熱量及時導(dǎo)走，使系統(tǒng)維持在正常的溫度范圍。目前熱管的研究重點已由理論研究轉(zhuǎn)移到應(yīng)用技術(shù)研究，熱管的應(yīng)用重點[2] 也由航天工業(yè)轉(zhuǎn)移到了普通工業(yè)，并不斷擴展到民用產(chǎn)品。目前，一個國家級熱管技術(shù)研究推廣中心已在南京化工大學(xué)成立,這對于未來我國熱管技術(shù)的研究開發(fā)將發(fā)揮重大作用。分離式熱管中研究和應(yīng)用最廣泛的是重力型分離式熱管（以下簡稱分離式熱管）。早在1978年Brost 等報道了西德成功研制出用于大功率半導(dǎo)體元件冷卻的熱管散熱器，它的重量僅為傳統(tǒng)散熱器的五分之一[6]； 二十世紀八十年代Peterson等研制了一種類似柔性熱管的用于電子器件或多芯片模塊的熱管裝置，并在以后的研究報告中給出了有關(guān)的分析和實驗，并提出了不凝結(jié)氣體的形成、軸向冷凝的阻塞以及由于小蒸發(fā)面積而產(chǎn)生的沸騰極限等一些問題[7]，它不僅引起了人們的廣泛注意和興趣，還促進了熱管技術(shù)在該領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用。熱管在工作時殼體往往需承受一定的壓力，但熱管在制作時預(yù)先要建立很高的真空，一般為102～102Pa。殼體內(nèi)的工質(zhì)汽液兩相共存，液態(tài)工質(zhì)在多孔的吸液芯內(nèi)．汽態(tài)工質(zhì)則充滿熱管的內(nèi)部空腔。在50～250℃的溫度范圍內(nèi)，水是最理想的工質(zhì)，在250～450℃的溫度范圍內(nèi)，萘是理想的工質(zhì)。由金屬網(wǎng)、泡沫材料、毛氈、纖維或燒結(jié)金屬等多孔材料制成，也有只在管殼內(nèi)部開溝槽、裝干道管[8]。在真空的腔體中，蒸發(fā)的蒸汽經(jīng)過絕熱段迅速流向冷凝段，蒸發(fā)段的熱量，也隨之被帶到了冷凝段。在這里提出將熱管的技術(shù)用于高速主軸冷卻，主要因為熱管的以下幾點特性為實現(xiàn)主軸冷卻控制提供了可行性：（1）高效的導(dǎo)熱性。（2）熱響應(yīng)性速度快。（4）管內(nèi)溫度分布非常均勻。既可以用較小的蒸發(fā)