山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近年來，熱管的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)熱管的研究也越來越深入。本文以山東 大學(xué)所參與的國際合作項(xiàng)目a m s 一0 2 為平臺(tái)，在進(jìn)行了鋁一氨軸向槽道熱管加工 嘗試以后進(jìn)一步完善了加工工藝，設(shè)計(jì)制造了銅一丙酮熱管，銅一水熱管，銅一甲醇 熱管等多種重力熱管，并通過實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了不同熱管之間的傳熱性能差異。 本文首先介紹了熱管的基本原理和熱管基本理論c o t t e r 理論，并對(duì)常規(guī)熱管 的傳熱機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)論述，分析了熱管的傳熱極限以及影響傳熱極限的因素， 其中著重分析了重力熱管的傳熱性能以及重力熱管的傳熱極限，并對(duì)重力熱管的 溫度分布做了估計(jì)。 其次，本文詳細(xì)介紹了重力熱管的設(shè)計(jì)過程以及加工工藝，內(nèi)容主要包括熱 管管殼材料及熱管工質(zhì)的相容性判斷，管子的外形尺寸，熱管工質(zhì)的充裝量，強(qiáng) 度校核等，并制定了詳細(xì)的加工工藝流程。 再次，本文介紹了重力熱管性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案，并搭建熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成了 對(duì)重力熱管熱性能的測(cè)試。熱管用纏繞在加熱段的電阻絲加熱，用冷卻水套內(nèi)流 動(dòng)的自來水進(jìn)行冷卻。用附著在管壁上的1 4 套t 型熱電偶對(duì)熱管管壁溫度進(jìn)行 測(cè)量，用電流表和電壓表測(cè)量加熱功率，數(shù)據(jù)采集使用f l u k en e td a q 系統(tǒng)。 最后通過對(duì)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，本文得到不同條件下的啟動(dòng)溫度和啟動(dòng) 時(shí)間，熱管的軸向溫差、熱阻及當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，以及相同條件下不同 工質(zhì)熱管傳熱性能的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明小功率下，銅甲醇熱管和銅丙酮熱 管的傳熱效果優(yōu)于銅水熱管。而在1 5 0 w 以上的加熱功率下，銅水熱管軸向溫 差急劇減小，熱管工作溫度較之其它兩種熱管都低，傳熱性能優(yōu)于銅甲醇熱管 和銅丙酮熱管。同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱管啟動(dòng)的時(shí)間隨著加熱功率的增大而減??；冷凝條 件影響熱管工作溫度、軸向溫差以及當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。 關(guān)鍵詞：重力熱管；熱阻；傳熱極限：導(dǎo)熱系數(shù) 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fh e a tp i p e si sm o r ea n dm o r ew i d e l y t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ho fh e a tp i p e sb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s h a n d o n gu n i v e r s i t y j o i n e dt h eb a n n e ro fa m s 一0 2p r o j e c ti n2 0 0 5 i nf o r m e rr e s e a r c h ，a l u m i n u m a l n m o n i aa x i a lg r o o v yh e a tp i p eh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d t h i sp a p e rb r i n g sf b n ht h ed e s i g n ， m a n u f a c t u r ea n dp e r f o r m a n c et e s t i n go ft h r e et y p e so ft h e r m o s y p h o n ，i n c l u d i n g c o p p e r - w a t e rp i p e ，c o p p e r - m e t h a n o lp i p ea n dc o p p e r - a c e t o n ep i p e f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h e o r i e so fh e a tp i p e ，a n d t h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e ro fr o u t i n eh e a tp i p e t h eh e a tt r a n s f e rl i m i t sa n df a c t o r s t h a ti n f l u e n c et h el i m i t sa r e a n a l y s e d ，e s p e c i a l l y f o rt h et h e r m o s y p h o n t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h e r m o s y p h o ni sb r o u g h tf o r w a r d s e c o n d l y , t h i st e x ti n t r o d u c e st h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r o c e s so ft h eh e a t p i p e si n d e t a i l t h ec o n t e n t sm a i n l yi n c l u d ec o m p a t i b i l i t yj u d g m e n to ft h ep i p e m a t e r i a la n dt h ew o r kf l u i d ，t h ed e s i g no ft h es h a p ea n ds i z eo ft h ep i p e ，t h eq u a n t i t y o fw o r kf l u i df i l l e di n t ot h ep i p e t h e nt h ep a p e rt a l k sa b o u tt h et e s t i n gp r o c e s so ft h eh e a tp i p e s ，m a i n l ya b o u tt h e e x p e r i m e n tp l a t f o r ms e tu pf o rt h et e s t a n dt h ee x p e r i m e n ta p p r o a c h t h eh e a t s e g m e n to ft h ep i p ei st i e da r o u n dw i t hr e s i s t a n c ec o i lf o rh e a t i n g ，w h i l et h ec o o l i n g s e g m e n tc o l dw i t hf l o ww a t e l1 4t h e r m a lc o u p l e sa r ep l a c e do n t ot h es u r f a c eo f h e a t p i p e so r d e r l yt oo b t a i nt h et e m p e r a t u r es i g n a l s t h es i g n a l sa r ec o l l e c t e da n ds t o r a g e d b yt h en e t - d a q w h i c hi sak i n do fp r o d u c t i o no ff l u k e c o m p a n y f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s eo ft h ee x p e r i m e n td a t a ，t h i sp a p e rg e t ss o m e c o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ：t h ep i p eh a sd i f f e r e n ts t a r tt e m p e r a t u r ea n ds t a r tt i m ei n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a l s ot h ed i f f e r e n tk i n d o fh e a tp i p e sh a v et h e i ro w ns t a r t t e m p e r a t u r ea n ds t a r tt i m ei nt h es a m ec o n d i t i o n s i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，t h ep a p e r a l s op o i n t so u tt h ev a r i e t yr e g u l a t i o n so fa x i a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h e e q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h ec o n c l u s i o n si n d i c a t et h a tt h ec o p p e r - w a t e rh e a t n 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 p i p eh a sm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea tah i g h e rh e a tp o w e rc o m p a r et ot h eo t h e r t w o t h ec o o l i n gc o n d i t i o n si n f l u e n c et h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dt h e r m a l r e s i s t a n c ea n dt h ee q u i v a l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t y k e y w o r d s ：t h e r m o s y p h o n ，h e a t t r a n s f e r l i m i t ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , t h e r m a l r e s i s t a n c e i i i 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：委煎日期：絲堡：絲 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的印刷件 和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：豆盜 導(dǎo)師簽名：蘭也生拿日 期：上墮堡“ 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 熱管發(fā)展簡(jiǎn)史 第一章緒論 熱管是一種高效傳熱元件，它通過一個(gè)很小的面積可以傳遞大量的熱量。除了 傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)之外，它還具有體積緊湊、重量輕、無噪聲、沒有傳動(dòng)部件等 特點(diǎn)。 早在1 8 3 6 年，j p e k i n s 就發(fā)明了鉑金斯管，取得了英國專利( n o 7 0 5 9 ) 。它 與現(xiàn)代兩相閉式熱虹吸管的結(jié)構(gòu)極其相似，唯一的區(qū)別是它管內(nèi)的空氣未抽空。 這種鉑金斯管在機(jī)車鍋爐及面包烤爐中得到了應(yīng)用。1 8 9 2 年，j p e k i n s 的孫子和 wb u c k 改進(jìn)了鉑金斯管，用加熱排氣法抽除了管內(nèi)的空氣，并提出了各種可能應(yīng) 用的場(chǎng)合。1 9 0 0 年后，鉑金斯管得到了廣泛的應(yīng)用【2 】。 熱管原理首先是由美國俄亥俄州通用發(fā)電機(jī)公司( t h eg e n e r a lm o t o r s c o r p o r a t i o n ，o h i o ，u s a ) 的r s g a u g l e r 于1 9 4 4 年在美國專利( n o 2 3 5 0 3 4 8 ) 中 提出的 3 】。然而他的想法當(dāng)時(shí)并沒有被通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司所采納應(yīng)用。 1 9 6 2 年l t r e f e t h e n 再次提出類似于g a u g l e r 的傳熱元件用于宇宙飛船，但 因這種建議并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，亦未能付諸實(shí)施。 1 9 6 3 年美國l o sa l a m o s 國家實(shí)驗(yàn)室的gm g r o v e r 5 1 重新獨(dú)立發(fā)明了類似于 g a u g l e r 提出的傳熱元件，并進(jìn)行了熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在美國應(yīng)用物理雜志上 公開發(fā)表了第一篇論文，并正式將此傳熱元件命名為熱管“h e a tp i p e ”。他指出熱 管的熱導(dǎo)率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種已知的金屬，給出了以鈉為工作液體，不銹鋼為 殼體，內(nèi)部裝有絲網(wǎng)吸液芯的熱管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。熱管定名后，鉑金斯管歸入熱管 范疇，稱為“重力熱管”。 1 9 6 5 年c o r e r 首次提出了較完整的熱管理論1 6 ，為以后的熱管理論的研究工 作奠定了基礎(chǔ)。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 6 7 年一根不銹鋼一水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運(yùn)行成功 ”，從此吸引 了許多科技工作人員從事熱管研究，前西德、意大利、荷蘭、英國、前蘇聯(lián)、法 國及日本等國均開展了大量的研究工作，使得熱管技術(shù)得以很快發(fā)展。 k a t z o f f t 日于1 9 6 6 年發(fā)明了有干道的熱管。干道的作用是為了給從冷凝段回到 蒸發(fā)段的液體提供一個(gè)壓力較小的通道，大大提高了熱管的傳輸能力 1 9 6 9 年前蘇聯(lián)和日本的有關(guān)雜志均發(fā)表了熱管應(yīng)用研究方面的文章。在日本 的文章中己有描述帶翅片熱管束的空氣加熱器，在能源日趨緊張的情況下，可用 來回收工業(yè)排氣中的熱能。同時(shí)t u r n e r 和b i e n e r t 別提出了用可變熱導(dǎo)熱管來實(shí)現(xiàn) 恒溫控制。g r a y 研究了一種新型熱管一旋轉(zhuǎn)熱管，這些發(fā)明都是熱管技術(shù)的重大 進(jìn)展【i o 】。 1 2 熱管研究的現(xiàn)狀 1 9 7 4 年以后，熱管在節(jié)約能源和新能源的開發(fā)方面的研究得到了充分的重視， 用熱管組成換熱器來回收廢熱，并將其應(yīng)用于工業(yè)以節(jié)約能源。美國和日本在這 方面所取得的進(jìn)展最為顯著 11 - 1 2 】。 1 9 8 4 年c o r e r 較完整地提出了微型熱管的理論及展望，為微型熱管的研究與 應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)1 3 1 。毛細(xì)泵回路c p l ( c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) 和回路熱管系統(tǒng) l h p ( l o o ph e a tp i p es y s t e m s ) 以其結(jié)構(gòu)靈活、應(yīng)用面廣及在很小溫差下可遠(yuǎn)距離傳 遞較常規(guī)熱管更大的熱量的特點(diǎn)，引起了整個(gè)熱管界的普遍關(guān)注，成為理論研究 和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。 7 0 年代以來，熱管技術(shù)飛速發(fā)展，各國的科研機(jī)構(gòu)、高等院校、公司及廠礦 均開展了多方面的開發(fā)、應(yīng)用研究，國際間、地區(qū)間及各國自身的熱管技術(shù)交流 活動(dòng)日益頻繁，自1 9 7 3 年至已有1 3 屆國際熱管會(huì)議召開。 我國自7 0 年代開始開展了熱管的傳熱特性研究以及熱管在電子冷卻及空間飛 行器方面的應(yīng)用研究。由于我國是一個(gè)發(fā)展中國家，能源的綜合利用水平較低， 因此自8 0 年代初我國熱管研究及開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用上 1 4 1 。我 2 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 國熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開發(fā)研究的發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也十分活躍，從1 9 8 3 年起先后召開了十屆全國性的熱管會(huì)議。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，熱管研 究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓寬。新能源的開發(fā)，電子裝置芯片冷卻、筆記本電腦 c p u 冷卻以及大功率晶體管、可控硅元件、電路控制板等的冷卻1 5 】，化工、動(dòng)力 冶金、玻璃、輕工、陶瓷等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，都將促進(jìn)熱管技術(shù) 的進(jìn)一步發(fā)展n 6 】。 目前熱管的應(yīng)用朝著兩個(gè)方向發(fā)展一個(gè)是大型化，另一個(gè)是微型化。在熱管大 型化和微型化研究及應(yīng)用中，美國和日本一直處在世界領(lǐng)先的水平。目前世界上 最大的熱管直徑大約3 0 0 m m ，長(zhǎng)度達(dá)1 0 0 m 。這種大型化的熱管在美國和日本均有 實(shí)際應(yīng)用，被用來冷卻地下的電力電纜，日本應(yīng)用了大量的熱管在地?zé)崮艿膽?yīng)用 中以及太陽能集熱設(shè)備的應(yīng)用中。在熱管發(fā)展史上值得一提的是在橫穿阿拉斯加 輸油管線工程中，應(yīng)用熱管作為管線的支撐，保證地面的永凍層，以滿足工程需 要 1 7 1 。中國的青藏鐵路施工過程中也有類似的應(yīng)用 1 8 1 。 1 3 本課題的研究背景 山東大學(xué)所參與的國際合作項(xiàng)目a m s 0 2 的熱控制系統(tǒng)中廣泛采用了軸向槽 道熱管，該熱管鋁為殼液氨為工質(zhì)，屬于低溫?zé)峁堋r(shí)至今日，熱管的應(yīng)用已從 航空航天 1 9 - 2 4 1 延伸到工業(yè)及民用中來。在太陽能利用2 5 1 、工業(yè)余熱回收】、標(biāo)準(zhǔn) 黑體以及電子元件冷卻 2 7 - 2 5 1 中已經(jīng)廣泛地應(yīng)用了熱管及熱管技術(shù)。這些場(chǎng)合所用 到的熱管多數(shù)屬于常溫或中溫?zé)峁?。由于工作要求不同，此類熱管在形式上及種 類上又有很大差別。本文在低溫?zé)峁艿难芯炕A(chǔ)上擴(kuò)大研究范圍，自主設(shè)計(jì)，自 行制造了多種中溫常溫?zé)峁?，例如銅一水熱管，銅一丙酮熱管，銅一甲醇熱管， 銅一乙醇熱管，鋁一丙酮熱管等。通過對(duì)傳統(tǒng)制造工藝的操作，優(yōu)化了熱管加工 工藝，并從中總結(jié)出一定的規(guī)律和結(jié)論，對(duì)后續(xù)全面展開的環(huán)路熱管及板式熱管 的加工和實(shí)驗(yàn)積累了經(jīng)驗(yàn)。并對(duì)其中集中典型熱管進(jìn)行了熱性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過 實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到各類熱管的適用性和在每種工況下的優(yōu)劣。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 研究的主要內(nèi)容 本文在論述與分析了熱管的基本原理和理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了若干重力熱 管，并通過實(shí)驗(yàn)方法檢驗(yàn)熱管的傳熱性能。研究的主要內(nèi)容如下： ( 1 ) 重力熱管的設(shè)計(jì)，包括工質(zhì)選擇，工質(zhì)與管殼的相容性判斷，管徑尺寸 確定，強(qiáng)度校核及充裝量的計(jì)算。 ( 2 ) 重力熱管的加工工藝研究，詳細(xì)介紹了銅一水熱管，銅一甲醇熱管，銅 一丙酮熱管和銅一乙醇熱管，鋁一丙酮熱管的加工工藝，包括管殼管芯的成型， 材料的機(jī)械加工，材料的清洗，抽真空系統(tǒng)的建立以及工質(zhì)的充裝和密封。 ( 3 ) 對(duì)熱管性能的測(cè)試，介紹了中溫?zé)峁軠y(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，對(duì)于自行 加工完成的熱管做了性能測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包含了同種熱管在不同實(shí)驗(yàn)條件下的傳 熱性能的差異，以及在相同的實(shí)驗(yàn)條件下不同種類的熱管之間的傳熱性能的差異。 對(duì)測(cè)試結(jié)果做了詳細(xì)的對(duì)比分析。 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 熱管原理 第二章熱管原理及熱管理論 典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。將管內(nèi)抽成1 3 o o 一一1 0 1 ) p a 的負(fù) 壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加 以密封。管的一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置 絕熱段。如圖2 1 所示： 2 1 1 熱管的主要工作過程 圖2 1 熱管工作原理示意圖 當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯內(nèi)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(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循 環(huán)不已，熱量從熱管的一端傳至另一端。熱管在實(shí)現(xiàn)這一熱量轉(zhuǎn)移的過程中包含 了以下六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過程： ( 1 ) 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一汽界面： ( 2 ) 液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液一汽分界面上蒸發(fā)； 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段； ( 4 ) 蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽一液分界面上凝結(jié)； ( 5 ) 熱量從汽一液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源； ( 6 ) 在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后的工作液體回流到蒸發(fā)段。 沿整個(gè)熱管長(zhǎng)度，汽一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(xì)壓差相平衡。毛細(xì)壓頭p 。一熱管內(nèi)部工作液體循環(huán)的推動(dòng)力，用來克服蒸汽從 蒸發(fā)段流向冷凝端的壓力降p v 、冷凝液體從冷凝段流回到蒸發(fā)段的壓力降p 和 重力場(chǎng)對(duì)液體流到引起的壓力降p 。 p 。a p 。+ a p l + p 。 ( 2 - 1 ) 因此，式( 2 1 ) 是熱管正常工作的必要條件。 2 1 2 熱管的基本特性 熱管是依靠自身內(nèi)部的工作液體相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特 性。 ( 1 ) 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(gè)數(shù)量級(jí)的熱量。當(dāng)然，高導(dǎo)熱性也是相對(duì)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?qiáng)，徑向并無太大的改善( 徑向熱管除外) 。 ( 2 ) 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 c l a u s u i s c l a p e y r o n 方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫j 生。 ( 3 ) 熱流密度可變性：熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積，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，或者熱管可以以較大 的傳熱面積輸入熱量，而以較小的面積輸出熱量，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。 ( 4 ) 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(dòng)力就 6 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 是毛細(xì)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(diǎn)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)器及其它裝置。 ( 5 ) 熱二極管及熱開關(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(gè)方向流動(dòng)，而不允許向相反的方向流動(dòng)：熱開關(guān)則是當(dāng)熱 源溫度高于某一溫度時(shí)，熱管開始工作，當(dāng)熱源溫度低于這一溫度時(shí)，熱管就不 傳熱。 ( 6 ) 恒溫特性( 可控?zé)峁? ：普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化 而變化，因此當(dāng)加熱量變化時(shí)，熱管各部分的溫度亦隨之變化。但人們發(fā)明了另 一種熱管一可變導(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(shí)現(xiàn)溫度的控制，這就是熱管的恒溫特性。 ( 7 ) 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(jī)的轉(zhuǎn)軸、燃?xì)廨啓C(jī)的葉片、鉆頭、手術(shù)刀等等，熱管也可以做成分離式的以 適應(yīng)長(zhǎng)距離或冷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(chǎng)) ， 也可以用于空間( 無重力場(chǎng)) 。 2 1 3 熱管的分類 熱管有不同的分類方法，按照工作液體的回流動(dòng)力可分為：有芯熱管、重力熱 管、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體驅(qū)動(dòng)熱管、磁流體驅(qū)動(dòng)熱管、滲透熱管等。 按照熱管工作溫度分可分為：低溫?zé)峁?、常溫?zé)峁?、中溫?zé)峁芎透邷責(zé)峁艿取０?閘管殼與工作液體的組合來分如；銅一水熱管，銅一甲醇熱管，銅一丙酮熱管， 鋁一氨熱管等。按照結(jié)構(gòu)形式分：常規(guī)熱管、平板熱管、毛細(xì)回路熱管、分離式 熱管等等。 最常見的是具有圓形截面蒸汽通道的常規(guī)毛細(xì)熱管( c o n v e n t i o n a l c a p i l l a r y d r i v e nh e a tp i p e ) ，管殼內(nèi)有毛細(xì)芯，毛細(xì)力為熱管工作的驅(qū)動(dòng)力 2 9 1 。環(huán) 形截面熱管( a n n u l a rh e a tp i p e ) 的工作原理與常規(guī)毛細(xì)熱管一樣，只是蒸汽的通道 截面由圓變成了環(huán)。毛細(xì)芯可以布置在環(huán)形通道同心外圓的內(nèi)側(cè)，也可以布置在 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 同心內(nèi)圓的外側(cè)，這樣，無須增大熱管外徑，就可以增加換熱面積。 平板熱管( f l a t p l a t eh e a tp i p e ) t 3 0 】一般具有縱寬比很小的長(zhǎng)方形外形，為簡(jiǎn)化熱 管結(jié)構(gòu)，常在上下板之間的徑向板面上開出軸向槽道來代替管j 提供毛細(xì)力。當(dāng) 平板熱管的上板面為加熱面時(shí)，一般在兩板面間的徑向通道中額外布置吸液芯以 輔助下板面的液體回流。平板熱管拉平溫度的能力很高，被廣泛應(yīng)用在高熱流密 度的電子芯片冷卻上。 重力熱管又稱兩相閉式熱虹吸管( t w o p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n ) ，它的特點(diǎn) 是蒸發(fā)段必須位于冷凝段的下方，冷凝液體通過重力回流到蒸發(fā)段。制約重力熱 管傳熱能力的極限主要是聲速極限和攜帶極限，另外，工質(zhì)的充裝量對(duì)傳熱能力 影響很大。因?yàn)闊岷缥芫哂懈咝?、可靠、成本低等?yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用比較廣泛。 可變熱導(dǎo)熱管( v a r i a b l ec o n d u c t a n c eh e a tp i p e ) 的概念首先是由t u r n e r 和b i e n e r t 于1 9 6 9 年提出的【3 1 1 ，它可以根據(jù)不同的輸入熱量，通過充入不凝性氣體改變冷凝 段的長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)熱源與熱匯之間的熱阻，保持熱源溫度或熱管的工作溫度不變， 實(shí)現(xiàn)可變熱導(dǎo)和恒溫控制。這種熱管多應(yīng)用在環(huán)形布置的等溫爐或電子元件冷卻 上。 旋轉(zhuǎn)熱管( r o t a t i n gh e a tp i p e ) ( 約概念是由g r a y 首先提出的【3 2 】，它利用熱管自身 的旋轉(zhuǎn)離心力使冷凝液體回流，因此不需要毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)。按照熱管的軸線與其旋 轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置，可分為旋轉(zhuǎn)熱管和回轉(zhuǎn)熱管兩大類，熱管軸向與旋轉(zhuǎn)軸一致的 稱為旋轉(zhuǎn)熱管，熱管軸線與旋轉(zhuǎn)軸不一致的稱為回旋熱管，習(xí)慣上統(tǒng)稱為旋轉(zhuǎn)熱 管，旋轉(zhuǎn)熱管在外形上有圓柱形、錐形、圓盤形等。 微型和小型熱管是近幾年來理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)。1 9 8 4 年，c o t t e r 在 ( ( p r i n c i p l e sa n dp r o s p e c t sf o rm i c r o h e a tp i p e s ) ) 3 3 1 一文中，定義微型熱管為：汽一 夜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。對(duì)于非圓形截面的微型熱管，水力半徑范圍一般為1 0 5 0 0 a m 。與常規(guī)尺寸的 熱管不同，微型熱管通常沒有毛細(xì)芯，它主要利用微型熱管的邊角處的毛細(xì)效應(yīng) 工作，典型的微型熱管有凸面、銳角的截面等。小型熱管被定義為最小截面直徑 在l m m 數(shù)量級(jí)以上的熱管，內(nèi)部一般有干道或內(nèi)槽道等專門的吸液芯結(jié)構(gòu)，和常 l i i 東大學(xué)碩士學(xué)位論文 曼舅曼曼曼曼鼉, 一i i i 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 基曼曼曼曼皇曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼量 規(guī)熱管的差別不是很大。 毛細(xì)泵回路熱管是近十年來兩相流技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展的產(chǎn)物，在未來的航空領(lǐng)域具 有廣闊的發(fā)展前景。毛細(xì)泵回路的概念首先是由美國n a s al e w i s 研究中心的 s t e n g e r 于1 9 6 6 年提出的口4 1 。毛細(xì)泵回路熱管在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中主要有以 下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：首先，由于毛細(xì)泵回路熱管只在蒸發(fā)段有毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，其余的管道 非常光滑，從而減小了蒸汽和液體的流動(dòng)壓降。其次，由于這種熱管的蒸汽和液 體通道基本上是分開的，汽一液間的流動(dòng)形式為順流，所以不存在攜帶極限，傳熱 能力強(qiáng)。第三，此種熱管的傳熱距離比常規(guī)熱管長(zhǎng)，允許多蒸發(fā)器的并聯(lián)工作， 每個(gè)蒸發(fā)器的熱負(fù)荷可以不同，因此可以適應(yīng)更復(fù)雜的太空換熱環(huán)境。 2 2 熱管技術(shù) 根據(jù)熱管的特性及原理，可以把熱管技術(shù)分為六個(gè)方面，熱管的應(yīng)用技術(shù)都可 以從熱管的基本特性中一一找到對(duì)應(yīng)。 ( 1 ) 溫度展平 熱管的表面有很好的溫度均勻性，用它來保持所要求的恒溫環(huán)境是很方便的。 例如在一塊多層的平板中，里面嵌入許多互相連通的蜂窩狀的熱管，這些熱管能 使任何局部的熱流很快散開，從而使平板保持均勻的溫度分布。早在19 6 9 年發(fā)射 的a t s e 衛(wèi)星3 5 1 和1 9 7 2 年發(fā)射的o a o c 衛(wèi)星上【3 6 1 就應(yīng)用了此種熱管，很好地 解決了衛(wèi)星朝陽面和背陽面的溫差問題。 ( 2 ) 源匯分隔 所謂源匯分割是指利用熱管將熱源和熱匯分隔在兩個(gè)場(chǎng)所進(jìn)行熱交換，分隔的 距離可以根據(jù)實(shí)際需要及所采用的熱管性能來定，可以從幾米到幾十米。8 0 年代 新發(fā)展的大型分離式熱管換熱器就是這種技術(shù)應(yīng)用的典型。這種裝置目前處理氣 體的流量可達(dá)6 2 1 0 5m 3 h ( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) 3 7 】。在1 0 0 m 距離上傳送熱量的超長(zhǎng)熱 管也已研制成功【3 8 】。源匯的分隔在化工生產(chǎn)中的又一個(gè)重要用途是將化學(xué)反應(yīng)器 的反應(yīng)熱用熱管導(dǎo)出器外加以處理3 9 1 。 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) 變換熱流密度 熱管能以較小的加熱面輸入熱量，而以大的冷卻面輸出熱量，或者以較大的加 熱面輸入熱量，而以較小的冷卻面輸出熱量。如此可使單位面積上的熱流量發(fā)生 變化。因而可為某些生產(chǎn)生活中需要供熱或者放熱的場(chǎng)所提供新的技術(shù)，例如可 用較短的加熱段吸收熱源的熱量，而用較長(zhǎng)的冷卻段輸出熱量到一個(gè)需要吸熱的 場(chǎng)所去，或者相反。熱管的熱流變換如圖2 2 所示 熱量輸出q2 圖2 2 熱流變換 ( 4 ) 熱控制( 可變熱導(dǎo)熱管) 可變熱導(dǎo)熱管可用來作恒溫控制。所謂可變熱導(dǎo)熱管即是熱阻可變的熱管。在 熱管中充以一定量的不凝性氣體，當(dāng)熱管工作時(shí)，不凝性氣體被壓縮到冷卻段， 管內(nèi)工作液體的飽和蒸汽和不凝性氣體形成一個(gè)交界面把熱管分成兩個(gè)區(qū)域，如 圖2 3 所示： 1 0 圖2 - 3 可變熱導(dǎo)熱管 當(dāng)加熱段熱源的溫度高于額定值時(shí)，熱端的熱量輸入就要增加，管內(nèi)飽和蒸汽 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 壓力升高，不凝性氣體被壓縮，交界面向右移動(dòng)，冷卻面積加大，熱量輸出也隨 之增大，管內(nèi)飽和蒸汽壓力下降，直至達(dá)到額定值維持平衡為止。當(dāng)熱源溫度低 于額定值時(shí)，熱端的熱量輸入減少，管內(nèi)飽和蒸汽壓力下降，不凝性氣體膨脹， 交界面向左移動(dòng)，冷卻面積縮小，熱量輸入減少，管內(nèi)蒸汽壓力逐漸回升，到達(dá) 額定值時(shí)維持平衡。因此熱量輸入增加，熱量輸出也增加，熱量輸入減少，熱量 輸入也減少。如此可保持熱管工作溫度不變。1 9 7 4 年5 月發(fā)射的a t s f 衛(wèi)星首先 使用了可控?zé)峁埽⒖隙丝臻g條件下使用可控?zé)峁艿男Ч? 0 1 。可控?zé)峁艿膽?yīng)用 使航天器的溫控技術(shù)提高到一個(gè)新的高度】。 ( 5 ) 單向?qū)? 熱二極管) 利用重力熱管的傳熱原理，可把熱管作為單向?qū)嵩?，?yīng)用于太陽能取暖上， 已取得了很好的效果。將重力熱管的加熱段置于室外，并以一定的角度傾斜，使 在室內(nèi)的冷卻段位置高于室外的加熱段位置。當(dāng)太陽照射加熱段時(shí)，熱管將熱量 傳入室內(nèi)。當(dāng)夜晚太陽落山時(shí)，室內(nèi)溫度高于室外。但由于這是加熱段已處于冷 卻段之上，因而熱管不工作，室內(nèi)熱量就不會(huì)散出去。類似原理被用于阿拉斯加 輸油管線支架的冷卻固定中。冬季大氣溫度低于地下土壤