熱管原理 - 快速熱傳遞性質(zhì)
熱管技術(shù)是1963年美國 LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室的G.M.Grover發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件,它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì),透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)以前被廣泛應(yīng)用在宇航、軍工等行業(yè),自從被引入散熱器制造行業(yè),使得人們改變了傳統(tǒng)散熱器的設(shè)計(jì)思路,擺脫了單純依靠高風(fēng)量電機(jī)來獲得更好散熱效果的單一散熱模式,采用熱管技術(shù)使得散熱器即便采用低轉(zhuǎn)速、低風(fēng)量電機(jī),同樣可以得到滿意效果,使得困擾風(fēng)冷散熱的噪音問題得到良好解決。

工作原理
典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,將管內(nèi)抽成1·3×(10負(fù)1---10負(fù)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。
當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯中的液體蒸發(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)不己,熱量由熱管的一端傳至另—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---汽)分界面;
(2)液體在蒸發(fā)段內(nèi)的(液--汽)分界面上蒸發(fā);
(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·液分界面上凝結(jié):
(5)熱量從(汽--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。
熱管分類
由于熱管的用途、種類和型式較多,再加上熱管在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和工作液體等方面各有不同之處,故而對熱管的分類也很多,常用的分類方法有以下幾種。
溫度區(qū)分
按照熱管管內(nèi)工作溫度區(qū)分,熱管可分為低溫?zé)峁埽ā?73---0℃)、常溫?zé)峁埽?—250℃)、中溫?zé)峁埽?50---450℃)、高溫?zé)峁埽?50一1000℃)等。
回流動(dòng)力區(qū)分
按照工作液體回流動(dòng)力區(qū)分,熱管可分為有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管(又稱重力熱管)、重力輔助熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、電流體動(dòng)力熱管、磁流體動(dòng)力熱管、滲透熱管等等。
組合方式劃分
按管殼與工作液體的組合方式劃分,(這是一種習(xí)慣的劃分方法)可分為銅—水熱管、碳鋼—水熱管、銅鋼復(fù)合—水熱管、鋁—丙酮熱管、碳鋼·榮熱管、不銹鋼·鈉熱管等等。
結(jié)構(gòu)形式區(qū)分
按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分,可分為普通熱管、分離式熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。
功用劃分
按熱管的功用劃分,可分為傳輸熱量的熱管、熱二極管、熱開關(guān)、熱控制用熱管、仿真熱管、制冷熱管等等。
制造介紹
- 1熱管零部件及其加工
熱管的主要零部件為管殼、端蓋 - 封頭、吸液芯、腰板 - 連接密封件四部分。不同類型的熱管對這些零部件有不同的要求。
- 2 管殼
熱管的管殼大多為金屬無縫鋼管,根據(jù)不同需要可以采用不同材料,如銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。管子可以是標(biāo)準(zhǔn)圓形,也可以是異型的,如橢圓形、正方形、矩形、扁平形、波紋管等。管徑可以從2mm到200mm,甚至更大。長度可以從幾毫米到l00米以上。低溫?zé)峁軗Q熱器的管材在國外大多采用銅、鋁作為原料。采用有色金屬作管材主要是為了滿足與工作液體相容性的要求。
- 3 端蓋
熱管的端蓋具有多種結(jié)構(gòu)形式,它與熱管舶連接方式也因結(jié)構(gòu)形式而異。端蓋外圓尺寸可稍小于管殼。配合后,管殼的突出部分可作為氬弧焊的熔焊部分,不必再填焊條,焊口光滑乎整質(zhì)量容易保證。旋壓封頭是國內(nèi)外常采用的一種形式,旋壓封頭是在旋壓機(jī)上直接旋壓而成,這種端蓋形式外型美觀,強(qiáng)度好、省材省工,是一種良好的端蓋形式。
- 4吸液芯結(jié)構(gòu)
吸液芯是熱管的一個(gè)重要組成部分。吸液芯的結(jié)構(gòu)形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。近年來隨著熱管技術(shù)的發(fā)展,各國研究者在吸液芯結(jié)構(gòu)和理論研究方面做了大量工作,下面對一些典型的結(jié)構(gòu)作出簡賂的介紹。
管芯型式
一個(gè)性能優(yōu)良的管芯應(yīng)具有:
- 1足夠大的毛細(xì)抽吸壓力,或較小的管芯有效孔徑
- 2較小的液體流動(dòng)阻力,即有較高的滲透率
- 3良好的傳熱特性,即有小的徑向熱阻.
- 4良好的工藝重復(fù)性及可靠性,制造簡單,價(jià)格便宜。
管芯的構(gòu)造型式大致可分為以下幾類:
- 1緊貼管壁管芯
多層網(wǎng)的網(wǎng)層之間應(yīng)盡量緊貼,網(wǎng)與管壁之間亦應(yīng)貼合良好,網(wǎng)層數(shù)有l(wèi)至4層或更多,各層網(wǎng)的目數(shù)可相同或不同,若網(wǎng)層多,則液體流通截面大,阻力小,但徑向熱阻大;用細(xì)網(wǎng)時(shí)毛細(xì)抽吸力大但流動(dòng)阻力亦增加.如在近壁因數(shù)層用粗孔網(wǎng),表面一層用細(xì)孔網(wǎng),這樣可由表面細(xì)孔網(wǎng)提供較大的毛細(xì)抽吸壓力,通道內(nèi)的粗孔網(wǎng)使流動(dòng)阻力較小,但并不能改善徑向熱膽大的缺點(diǎn).網(wǎng)芯式結(jié)構(gòu)的管芯可得到較高的毛細(xì)力和較告的毛細(xì)提升高度,但因滲透率較低,液體回流阻力較大,熱管的軸向傳熱能力受到限制.此外其徑向熱阻較大,工藝重復(fù)性差又不能適應(yīng)管道彎曲的情況,故在細(xì)長熱管中逐漸由其它管芯取代。
- 2燒結(jié)粉末管芯
由一定目數(shù)的金屬粉末燒結(jié)在管內(nèi)壁面而形成與管壁一體的燒結(jié)粉末管芯,也有用金屬絲網(wǎng)燒結(jié)在管內(nèi)壁面上的管芯.此種管芯有較高的毛細(xì)抽吸力,并較大地改善了徑向熱阻,克服了網(wǎng)芯工藝重復(fù)性差的缺點(diǎn),但因其滲透率較差,故軸向傳熱能力仍較軸向槽道管芯及干道式管芯的小。
- 3軸向槽道式管芯
在管殼內(nèi)壁開軸向細(xì)槽以提供毛細(xì)壓頭及液體國流通道,槽的截面形狀可為矩形,梯形,圓形及變截面槽道,槽道式管芯雖然毛細(xì)壓頭較小,但液體流動(dòng)阻力甚小,因此可達(dá)到較高的軸向傳熱能力,徑向熱阻較小,工藝重復(fù)性良好,可獲得精確幼兒何參數(shù),因而可較正確地計(jì)算毛細(xì)限,此種管子彎曲后性能基本不變,但由于其抗重力工作能力極差,不適于傾斜 - 熱端在上工作對于空間的零重力條件則是非常適用的,因此廣泛用于空間飛行器。
- 4組合管芯
一般管芯往往不能同時(shí)兼顧毛細(xì)抽吸力及滲透率,為了有高的毛細(xì)抽吸力,就要選用更細(xì)的網(wǎng)成金屬粉末,但它仍的滲透率較差,組合多層網(wǎng)雖然在這方面有所提高,可是其徑向熱陰大。組合管芯躍能兼顧毛細(xì)力和滲透率,從而能獲得高的軸向傳熱能力,而且大多數(shù)管芯的徑向熱阻甚小。它基本上把管芯分成兩部分,一部分起毛細(xì)抽吸作用,另一部分起液體回流通道作用。
重力熱管制作工藝
目前節(jié)能(余熱回收)領(lǐng)域的熱管換熱器,常用熱管多為重力熱管。重力熱管主要由管殼、端蓋、工質(zhì)三部分組成,其通常制作工藝如下:
1、機(jī)械加工(管殼、端蓋,或者直接采購)——2、前處理(管殼、端蓋除油除銹)——3、烘干——4、端蓋焊接(氬弧焊,焊口打磨)——5、充裝工質(zhì)——6、排空氣(烘烤)——7、封頭焊接(氬弧焊)——8、檢驗(yàn)
關(guān)鍵工序?yàn)椋?、排空氣,7、封頭焊接
制造工藝
吸液芯型熱管
如前所述,構(gòu)成熱管的三個(gè)主要組成部分是管殼、管芯和工質(zhì)。在設(shè)計(jì)過程中,對管殼和管芯的材料進(jìn)行合理的選擇后就可以開始制作。通常熱管的制造過程包括下面的工藝操作,并按一定的程序進(jìn)行。
1、機(jī)械加工---2、清洗---3、管芯制作---4、清洗---5、焊接---6、檢漏----7、除氣---8、檢漏---9、充裝---10、封接---11、烘烤---12、檢驗(yàn)
實(shí)際制造的時(shí)候往往能達(dá)到20,甚至上百道的工序。這里只是最簡單的一些必須工序。
重力熱管
節(jié)能(如 定型機(jī)余熱回收)領(lǐng)域的熱管換熱器,常用熱管多為重力熱管。重力熱管主要由管殼、端蓋、工質(zhì)三部分組成,其通常制作工藝如下:
1、機(jī)械加工(管殼、端蓋,或者直接采購)——2、前處理(管殼、端蓋除油除銹)——3、烘干——4、端蓋焊接(氬弧焊,焊口打磨)——5、充裝工質(zhì)——6、排空氣(烘烤)——7、封頭焊接(氬弧焊)——8、檢驗(yàn)
關(guān)鍵工序?yàn)椋?、排空氣 7、封頭焊接
