【文章內(nèi)容簡介】 按照 工作液體回流動力區(qū)分 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。 按照 熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分 有低溫?zé)峁?、常溫?zé)峁?、中溫?zé)峁堋⒏邷責(zé)峁艿取? 按照 管殼與工作液體的組合區(qū)分 有銅 水熱管、碳鋼 水熱管、鋁 丙酮熱管、碳鋼 萘熱管、不銹鋼 鈉熱管等。 按照 結(jié)構(gòu)形式區(qū)分 有普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。 按照 熱管的功用劃分 有傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等。 一 .兩相閉式熱虹吸管（ TwoPhase Closed Thermal siphon） 兩相閉式熱虹吸管又稱為重力熱管，簡稱熱虹吸管。 其結(jié)構(gòu)和原理如右圖所示。與普通熱管原理一樣，但不同的是熱管內(nèi)沒有吸液芯，冷凝液的回流主要是靠自身的重力作用，因此，熱虹吸管的作用有一定的方向性：冷凝段位置必須高于蒸發(fā)段。其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠，因此他在地面上的各類傳熱設(shè)備中都可以作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。 兩相閉式熱虹吸管 對于兩相閉式熱虹吸管，所可能發(fā)生的傳熱極限主要是干涸極限、沸騰極限(又稱燒毀極限 )和攜帶極限。干涸極限一般發(fā)生在充液量過小時(shí)。 為了避免熱管工作時(shí)達(dá)到這些傳熱極限，并強(qiáng)化熱管的換熱，國內(nèi)外許多傳熱界學(xué)者對熱虹吸管內(nèi)的強(qiáng)化換熱作了許多實(shí)驗(yàn)和理論研究，也得出了很多行之有效的方法。 例如： 在熱虹吸管的蒸發(fā)段內(nèi)同心放置開孔抑泡管抑制該段氣泡的脫離；在冷凝段內(nèi)設(shè)置溢流同心導(dǎo)管降低該段的凝結(jié)熱阻；將熱虹吸管的內(nèi)壁加工成為軸向槽道表面提高熱虹吸管的換熱系數(shù)；在熱虹吸管內(nèi)插入同心的內(nèi)熱虹吸管；在熱虹吸管內(nèi)插入一根同軸多孔管 ——流動分離器，強(qiáng)化內(nèi)部傳熱。 二 .旋轉(zhuǎn)熱管 旋轉(zhuǎn)熱管的概念是由 Gray于 1969年首次提出的，他分析了旋轉(zhuǎn)熱管較普通熱管具有更強(qiáng)的傳熱能力。旋轉(zhuǎn)熱管的顯著特征是熱管自身是旋轉(zhuǎn)件，因而可以用于所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件，如電機(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)動機(jī)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸等的冷卻，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 旋轉(zhuǎn)熱管為一密閉的空心軸 (管 )，此空心軸內(nèi)腔具有一定初始真空度，并充有少 量工作液。內(nèi)腔的形狀可以是空心圓柱形、空心內(nèi)錐形成圓柱臺階形。上圖為一錐形空腔的旋轉(zhuǎn)熱管工作原理簡圖。在高轉(zhuǎn)速下，工作液覆蓋在空腔的內(nèi)壁面上，并形成一層環(huán)狀液膜。旋轉(zhuǎn)熱管的一端由于被加熱，該處液體蒸發(fā)、液膜變薄，所產(chǎn)生的蒸汽流到另一端 (冷卻端 )。蒸汽在冷卻端放出潛熱而凝結(jié)成液體。在熱管的旋轉(zhuǎn)作用下液體受到一離心力，這一離心力沿錐面的分力使這些冷凝液沿錐面流回到蒸發(fā)段。這樣連續(xù)地循環(huán)就完成了把熱量從加熱段輸送到冷卻段的過程。 從傳熱性能來看，旋轉(zhuǎn)熱管沒有吸液芯，因此不存在毛細(xì)極限，并且在熱流回路中間少了由于吸液芯引起的熱阻。旋轉(zhuǎn)熱管內(nèi)部空腔較大，蒸汽流速不高，不易產(chǎn)生聲速極限，因此，其傳熱極限主要為：冷凝極限、攜帶極限和沸騰極限。 三 .分離式熱管 分離式熱管結(jié)構(gòu)示意圖 分離式熱管的結(jié)構(gòu)如左圖所示，其蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，通過蒸汽上升管和液體下降管連通形成一個(gè)自然循環(huán)回路。工作時(shí)，在熱管內(nèi)的工質(zhì)匯集在蒸發(fā)段，蒸發(fā)段受熱后，工質(zhì)蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽上升管到達(dá)冷凝段釋放出潛熱而凝結(jié)成液體，在重力作用下，經(jīng)液體下降管回到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。 分離式熱管的冷凝段必須高于蒸發(fā)段，液體下降管與蒸汽上升管之間會形成一定的密度差，這個(gè)密度差所能提供的壓頭與冷凝段和蒸發(fā)段的高度差密切相關(guān)，它用以平衡蒸汽流動和液體流動的壓力損失，維系著系統(tǒng)的正常運(yùn)行而不再需要外加動力。 分離式熱管既有經(jīng)典熱管的共性 —— 兩相流動、相變傳熱、自然循環(huán)等，同時(shí)也具有鮮明的個(gè)性 —— 管內(nèi)汽液兩相同向流動。 分離式熱管內(nèi)蒸汽與液體通向流動，故不存在攜帶極限，限制其傳熱能力的主要極限為燒干極限、聲速極限和冷凝極限。適當(dāng)加大其沖液量，加大蒸汽上升管的管徑或增加蒸汽上升管的個(gè)數(shù)等方法可以適當(dāng)消除這些極限的影響。 分離式熱管最大的特點(diǎn)是冷凝段和蒸發(fā)段可以較遠(yuǎn)距離安裝，從而使得冷熱流體完全隔離，避免了相互滲漏的問題 ，安全性能較經(jīng)典熱管大為提高。 四 .可變導(dǎo)熱管 可變導(dǎo)熱管熱阻的簡化模型 普通熱管的工作溫度是由熱源和熱匯的條件確定的，因此，改變熱負(fù)荷或蒸發(fā)段的溫度就將引起熱管工作溫度的改變。對于普通熱管來說，其導(dǎo)熱率接近一個(gè)常量。然而在某些應(yīng)用場合，需要冷凝段 (或蒸發(fā)段 )的溫度隨著熱負(fù)荷的變化而保持不變，因而利用熱管的熱可控性產(chǎn)生了可變導(dǎo)熱管(Variable conductance heat pipe， VCHP)。 可變導(dǎo)熱管的基本原理如右圖所示，這是簡化了的熱管基本熱阻模型。在這個(gè)模型中， Re表示熱源與熱管內(nèi)蒸汽之間所有熱阻之和， Rc 表示熱管因蒸汽流動等因素引起的熱阻， Rv表示熱管內(nèi)蒸汽與熱匯之間所有熱阻之和。任意一項(xiàng)熱阻的變化，將導(dǎo)致總熱導(dǎo)的改變，熱管的傳熱率也將發(fā)生變化。 可變導(dǎo)熱管可以分成兩大類： 第一類為隨著熱源溫度或熱流率的變化，保持熱管的工作溫度不變；另一類為保持熱源溫度不變。 五 .微型熱管及小型熱管（ MHP） 微型熱管橫截面示意圖 隨著集成芯片中電路數(shù)目的增加，其產(chǎn)生熱量的散逸變得越來越困難，除了最高芯片溫度的限制外，對溫度均勻性也有更高的要求，因而熱力特性是電子產(chǎn)品開發(fā)、研制中非常重要的技術(shù)，且直接影響到最終產(chǎn)品的成本、可靠性和表觀。微型熱管作為一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，可用于計(jì)算機(jī)芯片以獲得高的熱量導(dǎo)出率及溫度均勻化。 隨著熱管尺寸的減小，微型熱管遇到了蒸汽連續(xù)流動極限。此極限限制了微型熱管在低溫狀態(tài)下的工作。如果熱管工作在較高的工溫度下，此極限為暫時(shí)的，隨著熱管溫度升高將會消失。除了蒸汽連續(xù)自流動極限外，微型熱管還將遇到常規(guī)熱管的操作極限。如毛細(xì)極限，沸騰極限等幾種常見的傳熱極限。 定義 ：微型熱管被為液汽交界面的平均曲率在數(shù)量上和液體總流通截面水力半徑的倒數(shù)相當(dāng)?shù)囊环N熱管。典型的微型熱管有凸面、銳角的截面 (例如多邊形 )，水力半徑范圍為 10～ 500μm。其典型橫截面形狀 如上圖所示 。對于小型熱管，其最小截面直徑為 1mm數(shù)量級，由于這種熱管的體積不是很小，所以和常規(guī)熱管的差別不是非常明顯。在小型熱管內(nèi)部往往加吸液芯結(jié)構(gòu)，較為常見的是金屬燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)、絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)、干道結(jié)構(gòu)、內(nèi)槽道結(jié)構(gòu)等。 六 .毛細(xì)泵回路 熱管作為高效的傳熱元件已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，然而在地面上，如果熱管的 蒸發(fā)段位于冷凝段之上 ，其傳熱能力就將受到限制，毛細(xì)泵回路 (CPLCapillary Pumped Loop)可以解決這一問題，其基本工理與普通熱管的基本原理相似，但其可處于任何位置長距離有效換熱。 其概念首先是由美國 NASA Lewis研究中心的 Stenger于 1966年提出的，可有效地用于小溫差、長距離、無附加動力的熱量回收，也可用于航天器的熱管理系統(tǒng)，并可能使大型航天器的熱管理系統(tǒng)出現(xiàn)巨大的變革。 毛細(xì)泵回路以其獨(dú)特的工作方式工作，具有以下工作特點(diǎn)： (1)具有較高的傳熱能力 (2)具有優(yōu)良的控溫特性 (3)熱分享特性 (4)壓力灌注特性 (5)熱二極管特性 毛細(xì)泵回路的研究已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)之一，它在空間站、現(xiàn)代通訊衛(wèi)星、大功率宇宙飛船、電子元器件的冷卻方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。 各種類型的換熱器對比總結(jié) 參數(shù) 熱管類型 是否有吸液芯 液體回流動力 傳熱極限 常用場合 兩相閉式熱管 無 重力 干涸極限、沸騰極限、攜帶極限 常用于熱源在冷源下方的情況 旋轉(zhuǎn)熱管 無 離心力 冷凝極限、攜帶極限、沸騰極限 所有需要冷卻散熱的旋轉(zhuǎn)零部件 分離式熱管 無 重力 燒干極限、聲速極限、冷凝極限 需要嚴(yán)格避免冷熱流體相互滲漏的場合 可變導(dǎo)熱管 有些有 毛細(xì)力或其他 燒干極限、攜帶極限、冷凝極限 需要冷凝段 (或蒸發(fā)段 )的溫度不隨熱負(fù)荷變化而變的場合 微型熱管及小型熱管 有 毛細(xì)力 毛細(xì)極限、沸騰極限 電子產(chǎn)品等 毛細(xì)泵回路 有 毛細(xì)力 毛細(xì)極限等 航空領(lǐng)域，電子元器件等 第四章 熱管換熱器 熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器。典型的熱管換熱器如下圖 。 熱管換熱器的最大特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，換熱效率高，在傳遞相同熱量的條件下，