详解热管的工作原理及应用

作者:兰洋科技    浏览量:14218    时间:2023年03月27日    标签: 热管散热 散热方式 液冷技术

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。

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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。

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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。

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图3

三、热管的结构与材料

热管由管壳、管心(毛细结构)和工作液(工作介质)三部分组成。三者所选用的材料,除保证达到预定的热管传热性能外,还应保证工作过程中的相容性。

1 管壳管壳的作用是把工作液与外界隔开,向工作液传热以及把工作液的热量传出来。因此,管壳要防漏、耐压、传热性能好。对它的要求是:① 在蒸发段和冷凝段有高的热传导率;② 与工作液及环境的相容性;③ 有足够的强度和刚度,在工作温度范围内,能承受工作液的蒸汽压力;④ 用于带电,尤其是带高压电的发热元件的传热时,应选用电绝缘材料(如玻璃、陶瓷等)。管壳的材料有铜(无氧铜)、不锈钢、铝、镍、钨及非金属材料玻璃、陶瓷等。

2 管心管心的主要作用是产生毛细压差(抽吸力),把工作液从冷凝段输送到蒸发段。此外,还用于把工作液分布到蒸发段上可能吸热的任何范围内。管热产生的最大毛细压差随毛细孔的减小而增加,但其渗透率则随毛细孔的增大而增加。因此,均匀管心的最佳毛细孔尺寸是两者折中的结果。对水平放置和重力助推式热管可采用低性能管心,它有较大的毛细孔,如100目或150目多孔心子。在需要克服重力的场合下,需要小毛细孔。空间应用管心,要求传热能力高,可采用非均匀管心或干道管心。对管心结构的要求:① 有大的毛细压差;② 保证工作液流动阻力小;③ 厚度要适当,在减小径向热阻的前提下,增加其厚度可以提高传热能力;④ 与工作液的相容性和湿润性。为了满足这些要求,已研制成了许多管心结构,图4所示为其中的一部分管心结构。管心可分为单一和复合式的均匀管心、槽道管心、干道管心等。均匀管心有丝网状、泡沫状、毡状纤维状和烧结状等。单一管心用同一种材料制成,复合管心是由两种或多种材料组成的。

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图4

图4(a)所示为用小孔丝网卷成的管心,它可获得大的毛细泵力,但工质的回流阻力大;

图4(b)所示为卷成多边形的管心,虽比圆形管心的流动阻力小,但径向导热性差,温降大。复合管心的合理设计能弥补单一管心的不足之处。

图4(e)为用粗、细不同的毛细孔丝网卷成的复合管心。其中粗孔丝网紧贴在容器的内壁,细孔丝网放在蒸汽通道一边,粗孔丝网管心提供小阻力的液通道,细孔丝网可获得较大的毛细压差。

图4(g)为在窄槽管心的槽顶圆周上,再覆盖一层细孔网卷成的管心,组成复合管心,也能获得好的效果。

3 工作液应根据热管的工作性质,特别是工作温度的高低来选择工作液。对工作液的要求是;① 与管壳及管心的相容性。② 热稳定性要好;③ 汽化热大;④ 导热系数高;⑤ 大的表面张力;⑥ 液相和汽相的密度低;⑦ 与管壳和管心材料的湿润性好;⑧ 适当的蒸汽压力;⑨ 合适的冰点和凝固点;⑩ 其他特殊要求,如电绝缘性能等。常用的工作液见表1。

表1

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四、热管传热性能

1.热管传热等效热路图

热管传热等效热路图如图5所示。图中各部分的热阻分别为:R1是热源与热管外表面之间热阻(包括热导、对流、辐射热阻和接触热阻等);R2是热管管壁热阻;R3是吸液心及其界面热阻;R4是蒸汽进入液-汽界面的热阻;R5是蒸汽在管内从蒸发段流向冷凝段流动过程的热阻;R6是汽-液界面热阻;R7为冷凝液通过吸液心的热阻;R8是管壁热阻;R9是从热管外壳表面至环境(或热沉)的热阻(包括接触热阻);R10是管壳从蒸发段至冷凝段的热阻;R11是管心从蒸发段至冷凝段的热阻。

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图5 热管传热等效热路图

2 热管的传热极限

热管传热能力的上限将受到一种或几种因素的影响,有些高温热管启动时,蒸汽的速度可能会达到声速。声速条件是热管达到最大传热能力的一个限制。当温度不高时,又受到黏性力的限制。热管温度升高,由于管心内工作液被蒸汽携带而受限制。此外,还会受毛细压差不足以及蒸发段烧干的限制。

1)黏性限在较长的液态金属热管中,若在蒸汽压较低的条件下启动,该压力只能用于克服蒸汽流动过程中因黏性力而引起的摩擦损失,使管内的蒸汽流速低于声速。这时,热管的传热量达到极限,称为黏性限。

2)声速限随热管蒸发段的质量流量增加,蒸汽流速沿轴向增加,到蒸发段出口处达最大马赫数(汽流速度/声速)。这种阻塞流动是热管轴向热流的一个基本条件,称为声速限。

3)携带限热管工作时,蒸汽与回流液体的流向相反。在汽液界面上的液体,因受逆向蒸汽流剪切力的作用而产生波动。当蒸汽流的速度足够高时,可将波峰上产生的液滴刮起并由蒸汽携带至冷凝段,使冷凝液的回流量减小,造成蒸发段毛细心干涸,热管停止工作。这种极限称为携带限。

4)沸腾限热管中工质的相变包括表面蒸发和在吸液心内部的沸腾。除高温的液态金属热管外,一般的热管,两种情况均可能发生。对于工质在吸液心内的沸腾,其径向热流密度的最大值,既受毛细抽吸力的限制,也受膜态沸腾的限制。

5)毛细限当热管的毛细抽吸力不足以克服液流的阻力时,回流液体受阻,使蒸发段的工质得不到补充而出现干涸,通常将干涸前热管达到的最大传热量,称为毛细限。

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图6 热管传热极限图

3 热管的典型性能热管可以在任意方向上工作,但是,当蒸发段高于冷凝段时,它的性能将会降低,这是因为冷凝端(段)的工作液要流回蒸发段时,需要克服重力的影响。图7所示为粗、中、细三种吸液心的水管(管长122cm)热性能随管位角φ的变化情况。/>

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图7

具有粗吸液心的热管,当它处于水平位置工作(φ=0°)时,它的传热能力最大。当冷凝端稍微向下倾斜某个角度时,它的传热能力就会迅速下降。细吸液心在水平位置时,传送的热量不是最大,但是,当冷凝端向下倾斜一个角度时,它的传热能力不会很快下降。

五、热管的应用

由于热管是一种高效的传热器件,其应用范围很广,根据热管的特性,它的主要应用范围包括:① 把热源与冷源分开;② 拉平温度;③ 控制温度;④ 变换热通量;⑤ 作热开关及热二极管用等。不同的应用场合,可采用不同形式的热管。在电子设备中,主要是利用热管传递热量、拉平安装底板的温度、对设备或元器件进行温度控制以及冷却飞行器上的电子元器件等。

1.管状热管管状热管有圆形、椭圆形或其他形状的横截面,主要用来把热量传至远处或形成一个紧凑式的散热器。

图8所示为用于行波管收集极的热管散热器。也可以把需要冷却的电子元器件直接安装在热管上,或者被冷却元器件安装在平板上,然后把热管嵌在平板内。热管与热源接触时,应尽量设法减小其接触热阻,否则就不能充分发挥热管的传热性能。

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图8

2.平板热管平板热管(如图9所示)的管心能把工作液沿较大的表面分布开,形成一个温度梯度很小,几乎等温的表面。它可用来拉平多排元器件的温度,并冷却多排元器件。特别适用于集成电路组件、MCM组件、晶体管组件以及高功率密度组件的散热。

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▲图9

图9图10所示为用来冷却大功率行波管的重力助推式热管散热器。行波管收集极的底板与重力热管散热器的蒸发段平面紧密接触,行波管的热量传导到底板,通过接触面传至蒸发段表面,使蒸发段内的工作液加热升温至真空状态下的沸点温度。图11所示是该热管的传热路径图。

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图10

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图11

如图12所示为空心印制板组装件。其通道内有翅片式散热片,在环境温度为55℃的情况下,它最大的散热能力只有50~55W。如果增加耗散功率,用这种方法就难以达到需求,若改用液体冷却能满足要求,但要增加系统的体积和质量。

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图12

如果用扁平热管加到印制板的背面,将显著提高从印制板中心到边缘的传热能力,如图12(a)所示。也可以将热管弯成90°的结构件,可以直接把印制板的热量传到机箱侧壁,如图12(b)所示,这样可以减小印制板与机箱之间的接触面的温升。为了提高型材散热器的冷却效果,可以沿散热片的长度方向放置扁平热管,沿散热片的温度梯度很小,得到等温散热片。


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