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详解热管工作原理及其分类特性
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热管是一种新型的高效传热器件。具有导热性能高、结构简单、工作可靠、温度均匀与等温性等特点。可广泛用于电子设备、高密度组装器件、高功率密度元器件的传热和热控制等。一、热管工作原理图1所示是一种典型的热管原理图,它是一个被抽成真空的容器(圆形管子或其他形状)。热管一般划分为三部分:即蒸发段、绝热段和冷凝段。在容器的内壁上设有与内壁形状相一致的毛细管心,液相工质充满整个管心。当工质在蒸发段受热后开始蒸发,蒸汽带着汽化潜热被输送到另一端冷凝,并放出汽化潜热,然后靠毛细泵力的作用使冷凝液返回到蒸发段完成一个循环。利用这种方法,把热能高效率地从一端传至另一端。图1热管的工作原理:在热管未工作前,工质的液面与管心平齐。当发热元件与蒸发段接触后,便将热量传给管壁、管心和工质;工质受热后吸收汽化潜热变为蒸汽,蒸发段的蒸汽压力高于冷凝段,因此两端形成压力差,该压差驱动蒸汽从蒸发段到冷凝段。蒸汽在冷凝段冷凝时放出汽化潜热,通过管心、管壁传到热管的散热器。由于蒸发的原因,在蒸发段的工质液面进入管心的毛细孔内形成弯月面,在这里形成毛细泵力,将冷凝液抽回到蒸发段,完成一个工作循环。只要工质的流动不中断和保证足够的毛细泵力,热管可长期地工作。二、热管的特性与分类1 热管的特性由于热管是高效的传热器件,它具有以下一些特性。(1)传热能力强由于热管的传热主要依靠工作液(含液态金属)的相变吸收和释放大量的汽化潜热和高速蒸汽流动的传热。而用于热管的多数工作液体(或液体金属)的汽化潜热都很大,故不需要很多的蒸汽量就能带走大量的热量。(2)等温性好热管表面温度分布取决于蒸汽的温度分布、相变时的温差以及管壁与毛细心温差等。蒸汽处于饱和状态时,蒸汽流动和相变时的温差很小,而管壁和毛细心均较薄,因此,热管的表面温度梯度很小,当热流密度很低时,可达到很高的等温表面。热管的当量导热系数越大,其等温性就越好。其当量导热系数可以是相同材料的几十倍,甚至几百倍。(3)具有热流密度可变换的能力由于热管中蒸发和冷凝的空间是分开的,因此可以实现热流密度的变换,在蒸发段可用高热流密度输入,而在冷凝段可以用低热流密度输出,反之也可以。这种变换比例可以在较大的范围内进行控制。(4)具有恒温特性当热管内充以一定比例的惰性气体时,可以通过改变冷凝段的散热面积来适应传热量的变化,达到使蒸发段热源温度恒定在某一特定温度的恒温目的。(5)具有热二极管和热开关的特性2 热管的分类1)根据热管的工作温度范围分类(1)深冷热管工作温度范围为-170~-70℃的热管称为深冷热管,其工作介质(工作液)可采用纯化学元素物质(如氦、氩、氮、氧等)或化合物(如氟利昂、乙烷等)。(2)低温热管工作温度范围为-70~270℃。其工作介质可选用水、丙酮、氨、氟利昂、酒精及其他有机物。(3)中温热管工作温度范围为270~470℃。其工作介质可选用导热姆(联苯-苯醚共溶体)、水银、铯或硫等。(4)高温热管工作温度在500℃以上的热管。其工作介质可选用钠、钾、锂、铅、银及其他高沸点的液态金属。2)根据热管内冷凝液的回流方式分类(1)重力辅助热管冷凝液依靠自身重力回流到蒸发段的热管。(2)毛细吸液心热管由多孔性的毛细吸液心产生的毛细作用力,将冷凝液抽吸回蒸发段的热管。(3)旋转热管旋转体内部为一个锥形的密封腔,内壁不装管心,蒸发段的内径大于冷凝段的内径,当高速旋转时,利用离心力使工作液沿壁面的分量,把冷凝液送回到蒸发段。由于离心力的分量较大,流动阻力小,因此,这种热管的传热能力很大。(4)电渗透流动力热管电渗透流是一种电动力现象,不同表面对离子的吸收不同,因此,在液体与毛细心固体表面的交界处出现电荷累积,形成正负相反的电荷层,若加一个电场,两层电荷就出现相对运动,因为毛细心壁面是固定的,因此,电荷随液体上的相对毛细壁面运动,这种运动就称为电渗透。电渗透热管就是利用电渗透流抽吸液体,帮助毛细抽吸,从而提高了热管的毛细限,这种热管的管心及工作液需要采用高电阻材料。3.按热管的使用控制类型分类(1)充气热管当热管存在非凝气体时,对冷凝段的性能有明显的影响,利用这一性能来控制冷凝段热流量,图2(a)是由工作液的蒸汽压力来进行控制的。(2)过量液体热管此类热管是利用过量工作液体淹没冷凝段进行控制的。由图2(b)可见,蒸汽温度降低,使波纹管推出控制液体,迫使过量液体堵塞部分冷凝段,从而使热导减少。图2(3)蒸汽流量调节热管蒸汽流量调节热管是利用控制流过绝热段的蒸汽流量来进行控制的。若蒸发段的热源温度升高或热输入增加,蒸汽压力和温度随之提高;当蒸汽流过节流阀时流量减小了一个数量级,导致温度和压力下降,使冷凝段的热导量变化很小,保持在预期的状态(见图2(c))。可见节流阀能起到控制冷凝段性能的作用。(4)可变导热管热管的总热导由蒸发段、冷凝段和绝热段三部分热导组成。若以某种方式改变其中任何一种热导,而使总热导改变的热管,即可称为可变导热管。① 改变热导的方法有:② 控制返回蒸发段的冷凝液,使蒸发段局部干涸,热导减少;③ 改变蒸汽流动的通道,使蒸汽流的热阻增加(相当于热流量降低);在冷凝段内充填惰性气体,如氮、氦、氩等。当热管启动后,蒸汽流将惰性气体驱向冷凝段,由于惰性气体不传热,因此相当于减少了部分冷凝面积,从而使热导降低。图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)为各种可控热管的示意图。由图可见,各种可变导热管均以改变蒸汽与惰性气体分界面的位置,达到改变冷凝段的有效冷凝面积的目的,实现热管的恒定热流作用。图3(来源:互联网)

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