热管技术及应用（一）

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一、可变导热管构造

热管技术是 20 世纪 60 年代出现的一种新型传热技术，其导热能力远远超过任何已知金属的导热能力，在电子设备、航天航空等前沿科技领域扮演重要角色。在一些变热载荷的应用场景，普通热管难以满足变热载荷需求。在变热载荷需求驱动下，发展出一种新型的控制温度的传热元件——可变导热管。可变导热管的导热能力可以随传热量的变化自动地发生改变 , 且可保持热管工作温度基本不变。可变导能力的形成在于冷凝段充入的不可凝性气体，处于平衡状态时如图 1 所示。

 

图  1  可变导热管的平衡状态

可变导热管工作的原理是：蒸发段被加热，工作液体蒸发，蒸汽压力升高，不凝气体被驱赶到冷凝段，蒸汽上升达到冷凝段，在冷凝段与管外冷流体换热后凝结，凝结液体经下降后返回蒸发段。被驱赶到冷凝段的不凝气体聚集在冷凝段形成气塞，气塞占据了冷凝段的部分空间，减小了冷凝段蒸发凝结换热的有效面积，且气塞具有一定的 “ 弹性 ” 。当加热负荷增大时，蒸汽压力增高，气塞被压缩，气塞长度变短，冷凝段有效工作面积增大，热管的导热能力很高。反之，当热负荷变小时，蒸汽压力减小，气塞长度变长，冷凝段有效换热面积减小，热管的导热能力降低。根据导热理论可知，当加热负荷变大时，由于冷凝段面积和相应的当量导热系数发生变化，使得热管的工作温度的变化幅度减小，从而达到控制热管工作温度的目的。

下面对可变导热管的构造形式进行较为全面的介绍。刚开始发展起来的可变导热管基本构造为在冷凝段末端配置一个储气腔（图 2 ）。该形式可变导热管存在蒸汽会扩散至储气腔后冷凝积液的问题。故有必要吸收冷凝段储气腔内冷凝液，故引申出了带有吸液芯储气腔的可变导热管（图 3 ），储气腔中蒸汽的分压将为与其温度相对应的蒸汽压力。

图2 可变导热管基本构造

图3 含吸液芯式储气腔的可变导热管

储气腔虽可达到控制温度的目的，但仍存在易受冷源温度影响而使得储气腔内温度压力不稳定，故人们又开发出具有热储气腔的可变导热管（图4），即储气腔主要位于蒸发器段附近，甚至在蒸发器段内。储气腔与蒸发器的热耦合将大幅降低可控性气体的温度波动。此外，实践中还引入半透膜塞来降低不凝性气体中工作蒸汽的分压。

图4  配置储气腔的可变导热管

从本质上讲，各种形式热管都很难保持自身的温度恒定，除非热容无限大的情况。在热源的热阻抗很大或器件热功率发生波动，则热源的温度难以保持恒定，可能会出现大幅度温度波动，在实际应用中难以接受。为此，人们又开发了具有反馈功能的可变导热管，即电子反馈（主动）控制和机械反馈控（被动），设计构造如图5、图6所示。主动反馈控制可变导热管依靠温度传感器、电子控制器和可加热储气腔而调节 蒸汽-气体界面 界面。如图6所示， 机械反馈控制涉及到波纹管 储气腔 的使用，即通过波纹管的位移将蒸汽-气体界面的位移与热源联系起来，达到反馈控制调节热源温度的目的。

图5 主动反馈控制VCHP

图6 被动反馈控制VCHP

可变导热管具有传热和控温的双重特性，在航空航天、石油化工、余热回收等领域得到重要应用。 一种重要的应用就是 三轴对地静止卫星的散热器面板上 采用可变导热管技术 。此外，安装可变导热管为钠硫电池提供高温下工作的温度控制，进而提高充放电效率。伴随在变热载荷场景的应用，可变导热管的应用将越来越广泛，各国科学家和工程师仍需继续努力探索提升传热和控温的双重特性的各种构造方式。

二、 两相回路热虹吸管构造及其应用

自然相变循环具有传热性能好、可靠性高、成本低等优点，是解决热问题的有效途径。作为常用的自然相变循环，两相回路热虹吸管(TPLT)也称为闭环两相热虹吸管、热虹吸管环路等。从本质上讲，两相回路热虹吸管是由温差和重力驱动的两相传热装置，因TPLT不需要多孔芯，所以其结构比传统热管简单。由于其单向流动模式，它比热管具有更具竞争力的传热距离和传热极限。

TPLT通常由铜、不锈钢、铝合金、玻璃或其他具有良好导热性和耐压性的材料制成。它通常由蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路组成，根据应用的需要，还可以包括其他部件。例如，可以在液体管线上采用蓄热器或与冷凝器和蒸发器集成，以优化可变工况下的传热性能；可以添加控制阀来主动调节传热能力。两相回路热虹吸管中可使用多种工作液，最常见的选择是水、丙酮、二氧化碳、乙醇、氢气和各种制冷剂。

两相回路热虹吸管的工作原理为：蒸发器从热源中吸收热量，同时热量通过冷凝器排出，冷凝器的高度比蒸发器高，以便形成重力驱动的自然流动循环。在关闭模式下，较重的工作液体停留在液体管线和蒸发器的底部，而工作气体填充剩余空间，从而维持TPLT中的饱和状态。一旦蒸发器和冷凝器之间有足够的温差，蒸发器中的工作液体将逐渐吸收热量并汽化，向上运动，通过蒸汽管路到达冷凝器；在将热量释放到热沉后冷凝，并通过液体管线回流至蒸发器从而关闭两相流循环。TPLT的工作原理与单管热管、环形热管和两相闭式热虹吸管有相似之处。

图1 两相回路热虹吸管工作原理

根据TPLT的基本原理，在热虹吸管基础上进行必要改进，以达到实际应用过程的高效节能目的。下面介绍几种常见的两相回路热虹吸管应用案例。

1.     两相回路热虹吸管调节冰箱冷量应用

图 2  冰箱工作原理示意图

在家用冰箱中，常规制冷循环采用启停方式来控制生鲜食品仓的温度，压缩机的启停频率直接影响温度波动，频率越高对于新鲜食品的储存越好，却会大大降低循环效率。为了解决这个问题，人们构建了两相回路热虹吸管与冰箱耦合系统，将两相回路热虹吸管用于蒸汽压缩循环的冷/热释放。在这系统中，PCM被用作冷能量的蓄水池和缓冲器，制冷循环在稳定的工作状态下连续运行以提高效率，而TPLT则将冷量从PCM传递到新鲜食物舱，精确控制其温度。TPLT可以在两种模式下调节其传热：由蒸汽和/或液体管线上的电磁阀的开关控制的高频启停模式；以及由蒸汽管线上的调节阀控制的无级传热调节模式。

2.      两相回路热虹吸管在空调系统中应用

(a) 空调工作模式       (b) 两相回路热虹吸管工作模式

图3 空调系统工作原理

在两相回路热虹吸管与空调集成系统 (TPLT/AC)中，两相回路热虹吸管和蒸汽压缩循环共用同一流道、蒸发器和冷凝器。该系统蒸发器和冷凝器都是空气换热器，工作流体可以是空调中使用的各种制冷剂，如R22。当控制阀保持关闭时，系统正常运行在空调模式，如果控制阀打开，则切换到两相回路热虹吸管模式。采用低于所需室内温度5～10K的切换参考温度来确定两相回路热虹吸管的被动冷却能力是否足以满足室内降温。该系统有以下三种可能的运行模式：（1）夏季环境温度高于开关参考温度时，系统以AC运行，以保持足够高的制冷量；（2） 冬季环境温度始终低于开关参考温度时，系统以TPLT模式运行，以节约能源；（3）当环境温度在开关参考温度附近波动时，系统在AC和TPLT模式之间切换，一般出现在春季和秋季。

3. 两相回路热虹吸管在热泵系统应用

(a)TPLT模式                     (b)HP模式

图4 热泵系统工作原理

热泵循环是制冷循环的逆循环，其工作流体和关键部件相似。与传统的空调/热泵系统相比，两相回路热虹吸管与热泵集成系统（TPLT/HP）需要额外的控制阀、旁通管以及蒸发器和冷凝器的安装位置和管道结构的调整。基于TPLT/A系统的相同工作原理，两相回路热虹吸管与热泵集成系统一般采用两TPLT模式，将热源（如太阳能和空气源）的热量传递到水中，如果热源温度太接近或低于水温，则切换到HP模式。模式开关取决于热源与水之间的温差。由于热源温度和水温的变化比两相回路热虹吸管与空调集成系统系统大得多，因此不采用参考温度。

三、脉动热管构造形式

近年来，随着电子芯片、发光二 极管和动力电池等领域向着小型化和高集成化发展，因 过热而导致 这类 器件可靠性问题日益得到了重视关注。脉动热管作为 上世纪90年代初提出的一种传热 元件，由于其设计简单、成本低和热性能优越，在余热回收、航天热管理和电子冷却等场景的高效冷却装置设计与开发中有着很好的应用前景。

           

图1 热管工作原理示意图：(a) 常规重力热管；(b) 脉动热管

不同于传统重力热管 ( 如图1(a))，脉动热管的基本结构仅仅包括一个在平面内蛇形排列的连续无芯毛细管。如图1(b)中所示，脉动热管按环路结构 可分为封闭型和开放型两种，但由于封闭回路中的工质最终能够实现稳定的循环流动，使得封闭性脉动热管得到了更多的关注。该 型热管还具有易于小型化、结构灵活和逆重力运行等优点， 而缺点在于由于完全依靠热驱动，相比于传统毛细力辅助工质流动的热管在面对长距离热输送需求时会有局限性。闭合回路脉动热管的加工过程和传统热管类似，都要经历三个过程：管内抽真空，工作流体部分填充和密封。加工完成的脉动热管在未启动时，内部工质会以非均匀气液塞的形式自然地分布在毛细管内。在对管束的一端加热后，热量通过内部持续的气液两相流体振荡或循环流动将热量传递到冷却端进行散热。 正是由于上述基于两相流传热的独特工作原理，脉动热管相比单一的金属导热结构具有 显著的性能优势。研究表明，脉动热管等效导热系数可以达到铜的几十倍。总的来说，脉动热管是一种简单可靠、无噪声并且经济可行的传热选择。

由上述脉动热管的工作原理可知，脉动热管主要依靠工质的振荡运动将蒸发段的热量以潜热和显热的形式传递到冷凝段。因此，强化脉动热 管的传热性能应从以下两个方面着手：（1）强化管内汽液介质与管壁之间的传热；（2）增加管内工质振荡频率和循环力 。当前研究涉及的脉动热管主要包括管式和板式两种。基于上述强化思路，国内外已提出了多种新的脉动热管构造形式，具体如下：

1.       止回阀结构脉动热管

在脉动热管回路中配置一个或多个单向止回阀（图2）可以使工作流体按规定的方向循环流动，这使得带止回阀的闭式循环脉动热管的热性能要优于常规的闭式循环脉动热管。随着研究深入，目前还发展出一种特斯拉型止回阀平板脉动热管，如 图3所示。与上述的浮球式止回阀相比，Tesla阀完全由通道构成，结构简单且易于与脉动热管结合。其特点在于流体在主通道流动时压降较小，而在侧通道流动时压降较大。通过合理地布置Tesla阀可使工质在脉动热管中正 向流动的流动阻力低于反向流动的流动阻力，从而抑制工质的反向流动，促进工质单向循环流动，有效降低运行热阻。

图2 止回阀结构脉动热管         图3  特斯拉型止回阀平板脉动热管

2.       不均匀通道结构脉动热管

对于依赖热驱动的脉动热管来说，当在其内部添加 图4中所示的 不均匀通道结构时，工质在受热蒸发时不同口径的曲率半径使得液膜产生的表面张力不同，从而产生额外的循环动力。附加的循环力可以促进工质的循环流动，强化脉动热管的启动速度和传热能力，这一优势在中低热输入功率以及非均匀加热时表现得尤为明显。类似的构形还有如 图5和图6中 带斜向通道或部分波纹结构的脉动热管，在相邻主通道中加入起连通作用的斜通道可以促进流体单相流动。此外，在蒸发段布置波纹结构同样能够显著提升脉动热管的启动和传热性能。

图4 不均匀通道示意图  图5斜向连接通道平板脉动热管  图6波纹结构脉动热管

3.      吸液芯结构脉动热管

吸液芯结构是近年来受到广泛关注的脉动热管内部结构优化方案。目前吸液芯结构主要有沟槽和多孔芯。在热管内壁面增 加类似图7中所 示的微槽结构不仅可以显著降低脉动热管的启动时间和启动功率，还可以增强显热和潜热的传递，使脉动热管获得较低的热阻和蒸发段温度。多孔芯结构是传统热管中提供毛细力使液体从冷凝器部分返回蒸发器部分的毛细尺度结构。热管中常用的是烧结颗粒状（ 如图8） 、丝网状和筛状的多孔芯结构。常规的脉动热管是没有芯结构的，但考虑到烧结芯结构可以大幅度增加工质的潜热传递，因而将其引入脉动热管中以提升传热性能。在这个过程中，潜热的增加使得汽塞温度和压力均得到提升，从而增加了液塞的振荡幅度。

 

  图7  微螺旋沟槽内表面                                                             图8 烧结铜颗粒芯结构

4.       三维脉动热管

传统的脉动热管研究多是基于二维单层通道结构，借助内部的两相流动传热特性能够表现出远高于纯金属板的传热能力。但是，随着现代热管理场景的日益复杂会发现常规单层式的脉动热管结构会将热质的输运限制在二维平面内。在面对高热流密度场景，具有更高通道密度的三维结构近年来也受到人们青睐， 如图9所示 的不同层数的三维管式等形式。三维脉动热管的主要目的是为了延展脉动热管在三维空间中的传热能力，同时更加紧凑的工质流道分布使单位面积内热量能够更多地被传递。

图9  不 同层数的三维管式脉动热管