部分熱管原理及應(yīng)用第1頁(yè)/共72頁(yè)1、熱管起源及發(fā)展歷程1962年L.Trefethen再次提出類似于Gaugler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。1963年美國(guó)Los

Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover重新獨(dú)立發(fā)明了類似于Gaugler提出的傳熱元件，并進(jìn)行了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在美國(guó)《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“Heat

Pipe”，指出它的熱導(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。美國(guó)Los

Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在熱管理論以及熱管在空間技術(shù)方面的應(yīng)用研究一直處于領(lǐng)先地位。1965年Cotter首次提出了較完整的熱管理論，為以后的熱管理論的研究工作奠定了基礎(chǔ)。1967年一根不銹-水熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并運(yùn)行成功。1966年Katzoff于發(fā)明了有干道的熱管。第2頁(yè)/共712頁(yè)1、熱管起源及發(fā)展歷程第3頁(yè)/共712頁(yè)Turner和Bienert提出了用可變熱導(dǎo)熱管來實(shí)現(xiàn)恒溫控制。Gray研究了一種新型熱管——旋轉(zhuǎn)熱管。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。該工程共使用了112000余根熱管，單根熱管的長(zhǎng)度為9—23m。1984年Cotter較完整地提出了微型熱管的理論及展望，毛細(xì)泵回路CPL（Capillary

pumped

loops）和回路熱管系統(tǒng)LHP（Loop

heat

pipe

systems）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)。1、熱管起源及發(fā)展歷程第4頁(yè)/共712頁(yè)1963年：發(fā)明于美國(guó)洛斯-阿洛莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LosAlamos

National

Laboratory）。1964-1970年：理論研究高峰期，近千篇論文發(fā)表。1970-1980年：機(jī)密性應(yīng)用研究，空間核電源、電子儀器散熱、航天飛行器均溫等節(jié)能應(yīng)用性研究，熱管換熱器，太陽(yáng)能發(fā)電，高效化學(xué)反應(yīng)器。1980-2000年：電子電器散熱、計(jì)算機(jī)CPU散熱、大型空氣預(yù)熱器、高溫?zé)峁軗Q熱器、高溫高壓化學(xué)反應(yīng)器。2000-2010年：高效微型熱管技術(shù)、高溫大型熱管技術(shù)、高效熱管反應(yīng)設(shè)備技術(shù)、各種高效熱管換熱裝備。2、熱管結(jié)構(gòu)及工作原理第5頁(yè)/共712頁(yè)結(jié)構(gòu)：典型的熱管由管殼、吸液芯、端蓋和工作

液體組成，將管內(nèi)抽成1.3×（10-1~10-4）Pa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（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕

熱段。工作過程：當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(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，液體沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另一端。2、熱管結(jié)構(gòu)及工作原理第6頁(yè)/共712頁(yè)2、熱管結(jié)構(gòu)及工作原理第7頁(yè)/共712頁(yè)2、熱管結(jié)構(gòu)及工作原理第8頁(yè)/共712頁(yè)2、熱管結(jié)構(gòu)及工作原理第9頁(yè)/共712頁(yè)2、熱管結(jié)構(gòu)及工作原理第10頁(yè)/共712頁(yè)3、熱管傳熱過程第11頁(yè)/共712頁(yè)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：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-汽分界面；液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液-汽分界面上蒸發(fā)；蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段；蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽-液分界面上凝結(jié)；熱量從汽-液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源；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。4、熱管研究第12頁(yè)/共712頁(yè)1973年在德國(guó)斯圖加特（Stuttgart）召開了第一屆國(guó)際熱管會(huì)議后，1976年在意大利的波倫亞（Bologna）召開了第二屆國(guó)際熱管會(huì)議，1978年在美國(guó)加尼福利亞州（Palo

Alto）召開了第三屆國(guó)際熱管會(huì)議，此后1981年在英國(guó)倫敦（London）。1984年在日本筑波（Tuskuba），1987年在法國(guó)格林貝爾（Grenoble），1990年在前蘇聯(lián)明斯克（Minsk），1992年在中國(guó)北京，1995年在美國(guó)新墨西哥州Albuquerque，1997在德國(guó)斯圖加特（Stuttgart），1999年在日本東京（Tokyo）2001年俄羅斯2004年中國(guó)上海2007年巴西分別召開了第四至十四屆國(guó)際熱管會(huì)議。除此之外，中日雙方從1985年在澳大利亞墨爾本（Melbourne）召開的多邊會(huì)議正式發(fā)展為國(guó)際熱管技術(shù)研討會(huì)。4、熱管研究第13頁(yè)/共712頁(yè)中國(guó)自70年代開始，開展了熱管的傳熱性能研究以及熱管在電子器件冷卻及空間飛行器方面的應(yīng)用研究。自80年代初中國(guó)的熱管研究及開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用，相繼開發(fā)了熱管氣、氣換熱器，熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器，高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。從1983年起已先后召開了十屆全國(guó)性的熱管會(huì)議

1983年黑龍江哈爾濱，1988年湖南大庸，1991年四川都江堰，1994年黑龍江牡丹江，1996年江蘇無(wú)錫，1998年福建邵武，2000年，2002年云南昆明，5、熱管超高導(dǎo)熱性能第14頁(yè)/共712頁(yè)30mm直徑、1m長(zhǎng)銅棒、傳熱負(fù)荷1KW，傳熱溫差需要900℃相同直徑、相同長(zhǎng)度、相同傳熱負(fù)荷，傳熱溫差僅10℃熱管設(shè)計(jì)兩個(gè)重要參數(shù)軸傳熱能力(W-m)和蒸發(fā)段徑向熱流密度

(W/cm2),軸傳熱量(W)5、熱管超高導(dǎo)熱性能第15頁(yè)/共712頁(yè)5、熱管超高導(dǎo)熱性能第16頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管的基本特性第17頁(yè)/共712頁(yè)高導(dǎo)熱性能：很高的導(dǎo)熱性能是熱管內(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。優(yōu)良的等溫性能：熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(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Clausuis-Clapeyron方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優(yōu)良的等溫性。6、熱管的基本特性第18頁(yè)/共712頁(yè)熱流密度可變性：熱管可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷卻段的加熱面積，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，或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱量，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。熱流方向可逆性：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)器及其他裝置。5、熱管的基本特性第19頁(yè)/共712頁(yè)熱二極管與熱開關(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。恒溫特性（可控?zé)峁埽浩胀峁艿母鞑糠譄嶙杌旧喜浑S加熱量的變化而變，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)展了另一種熱管——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。5、熱管的基本特性第20頁(yè)/共712頁(yè)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)），也可用于空間（無(wú)重力場(chǎng)）。免運(yùn)行維護(hù)性能：熱管運(yùn)行不需要外部提供動(dòng)力。7、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第21頁(yè)/共712頁(yè)（1）溫度展平又稱為均溫技術(shù)，即利用熱管本身的等溫

性，把一個(gè)溫度不均勻的溫度場(chǎng)展平成為一個(gè)均勻的溫度

場(chǎng)。設(shè)有一具有不均勻溫度場(chǎng)的圓柱體，其展開表面，在

圓柱體的正反兩面很大的溫差t1-t2（t1﹥﹥t2），但如設(shè)法在圓柱體的表面上布置一定量的環(huán)狀熱管，則圓柱體表面

溫度將變得很小。又如在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常遇到化學(xué)反應(yīng)

器內(nèi)部的不等溫性問題，特別是固定床催化反應(yīng)器的不等

溫性將影響化學(xué)產(chǎn)品的產(chǎn)率和質(zhì)量。如果我們用熱管控制

化學(xué)反應(yīng)熱均衡，就可能獲得一個(gè)較為均勻的溫度場(chǎng)。圖

中（a）為不均勻溫度的反應(yīng)床層，（b）為使用熱管的反

應(yīng)床層。均溫技術(shù)在航天飛行器及電子設(shè)備儀器儀表板方

面都有重要的應(yīng)用。（1）溫度展平第22頁(yè)/共712頁(yè)（1）溫度展平第23頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第24頁(yè)/共712頁(yè)（2）匯源分隔，利用熱管熱源和熱匯（冷源）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，可以從幾十厘米到100米，這種技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的工程換熱中有十分重要的意義。如圖中（a）是一般間壁換熱方式，此時(shí)如管壁有微小的泄漏，冷熱流體將立即互混，迫使生產(chǎn)停車。但采用熱管換熱器如圖（b）所示，則源、匯兩種流體將不再有互混的可能。（2）匯源分隔第25頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第26頁(yè)/共712頁(yè)（3）變換熱流密度，熱管能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。如此可使單位加熱和冷卻傳熱面積上的熱流量發(fā)生變化。圖中（a）為蒸發(fā)段長(zhǎng)于冷凝段，且附加翅片，顯然蒸發(fā)段的傳熱面積遠(yuǎn)大于冷凝段，傳熱量Q一定時(shí)，蒸發(fā)段的熱流密度遠(yuǎn)小于冷凝段的熱流密度，圖（b）則為相反的情況。熱流密度變換在工程中有重要的應(yīng)用，例如可以用來控制管壁溫度以避免出現(xiàn)的露點(diǎn)腐蝕。（3）變換熱流密度第27頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第28頁(yè)/共712頁(yè)（4）熱控制（可變導(dǎo)熱管），可變導(dǎo)熱管為熱阻可以改變的熱管，可用來溫度控制。圖示為充氣式可變導(dǎo)熱管，熱管的冷凝段充有一定量的不凝性氣體，當(dāng)熱管工作時(shí)，熱管有兩個(gè)區(qū)——①和②，①為工作液體的飽和蒸汽區(qū)，②為不凝性氣體區(qū)。這兩個(gè)區(qū)的交界面位置是可以變動(dòng)的，當(dāng)蒸發(fā)段熱源溫度高于額定值時(shí)，輸入的熱量就將增大，管內(nèi)飽和蒸汽壓力升高，不凝性氣體被壓縮，交界面向右移動(dòng)，冷凝段傳熱面積加大，熱量輸出也隨之增大，管內(nèi)飽和蒸汽壓力下降，交界面位置左移，直至達(dá)到平衡為止。當(dāng)熱源溫度低于額定值時(shí)，蒸發(fā)段輸入的熱量減小，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)，冷凝段傳熱面積縮小，熱量輸出也隨之減小，管內(nèi)飽和蒸汽壓力回升，交界面位置右移，達(dá)到額定值時(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，熱量輸出也減少。如此可保持熱管的工作溫度基本不變。在工程上可變導(dǎo)熱管技術(shù)可以用來控制熱源或熱匯的溫度。4）熱控制（可變導(dǎo)熱管）第29頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第30頁(yè)/共712頁(yè)（5）單向?qū)幔岫O管），利用重力熱管的傳熱原理，可將熱管看作為單向?qū)?/p>

元件。當(dāng)蒸發(fā)段在冷凝段的下方，熱管可

以正常工作；當(dāng)冷凝段在蒸發(fā)段的下方，

熱管則不能工作。熱二極管原理在太陽(yáng)能

及地土永凍工程中有很重要的應(yīng)用。熱虹吸管第31頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第32頁(yè)/共712頁(yè)（6）旋轉(zhuǎn)元件的傳熱（旋轉(zhuǎn)熱管），一般熱管是一種靜止的傳熱元件，旋轉(zhuǎn)熱管則

是在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中傳熱的元件，其原理是熱

管內(nèi)工作液體依靠轉(zhuǎn)動(dòng)中的離心力從冷凝

段向蒸發(fā)段回流，或是靠液體位差產(chǎn)生的

重力。旋轉(zhuǎn)熱管在工程中可用作高速回轉(zhuǎn)

軸件的傳熱元件，如電機(jī)軸、高速鉆頭的

冷卻。旋轉(zhuǎn)熱管第33頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第34頁(yè)/共712頁(yè)（7）微型熱管技術(shù)，隨著電子、電器工程的迅速發(fā)展，微型電子器件及元件的散熱已成為一個(gè)重要的問題，微型熱管的研究正是適應(yīng)于這種要求而發(fā)展。微型熱管的概念與常規(guī)熱管概念有所不同，它的毛細(xì)力不是由吸液芯產(chǎn)生而是由蒸汽通道周邊的液縫的彎月面提供的。蒸汽通道的截面有各種形狀，有三角形、矩形、正方形、梯形等等，管內(nèi)無(wú)吸液芯。微型熱管在半導(dǎo)體芯片、集成電路板、筆記本電腦CPU的散熱方面有很重要

的應(yīng)用。微型熱管蒸汽通道截面形狀第35頁(yè)/共712頁(yè)6、熱管技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用第37頁(yè)/共712頁(yè)（8）高溫?zé)峁芗夹g(shù)，在溫度超過700℃的換熱條件下，使用普通的換熱器會(huì)有許多困難，如溫差

應(yīng)力、材料高溫蠕變、高溫腐蝕等問題。高溫?zé)?/p>

管可帶來很大的方便，溫差應(yīng)力小，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)

單，不易受高溫破壞，單根熱管破壞不影響設(shè)備

整體性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。高溫?zé)峁艿墓ぷ饕后w是液

態(tài)金屬（鈉、鉀、鋰、銫等），其特點(diǎn)是飽和蒸

汽壓力很低，所以在高溫條件下，工作的熱管只

承受高溫而不承受管內(nèi)高壓。高溫?zé)峁茉诤斯こ?、太?yáng)能電站、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫?zé)犸L(fēng)爐、高溫

渣口、赤熱體取熱等方面有著重要的用途。7、熱管應(yīng)用-永凍層熱管第38頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-青藏鐵路兩側(cè)熱棒第39頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-青藏鐵路兩側(cè)熱棒第40頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-熱棒第41頁(yè)/共712頁(yè)7、青藏鐵路兩側(cè)熱棒-安裝熱棒第42頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-CPU散熱器第43頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-CPU散熱器第44頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-CPU散熱器第45頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-CPU散熱器第46頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-CPU散熱器第47頁(yè)/共712頁(yè)7、熱管應(yīng)用-CPU散熱器第48