[科普中国]-轴向槽道热管

简介

纵观热管的发展史,可以看到,早在二十世纪七十年代热管在工业领域得到广泛应用之前,就己经作为一种优良的热控制元件,在航天器热控制系统中得到最初的发展。其中,轴向槽道热管是航天领域应用最多的一种热管,这种热管以管内轴向开出的不同尺寸形状的微槽道来提供毛细力,比起金属烧结芯等吸液芯结构具有更大的孔隙率,从而增大了液体的渗透率,极大的减小了蒸汽和冷凝液的流动阻力2。而且,槽道本身相当于肋结构,增了热管径向热导率和相变换热系数,使得这种热管具有较高的传热能力。更重要的是,槽道的加工制造工艺简单,可靠性高,这在空间应用中具有极其重要的意义。同时,轴向槽道热管也存在一些不足,首先,由于槽道和蒸汽腔之间是连通的,在逆流的蒸汽和液体的界面上由于剪切力的作用,部分冷凝液会被携带到蒸汽空间,容易造成液体回路的短路,从而降低了热管的传热能力;另外,由于槽道的宽度相对于吸液芯结构的孔隙较大,所能提供的毛细压头较小,逆重力工作能力不高。

热管概述热管工作原理典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成真空后充以适量的工作液体，使紧贴内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后把充液端密封。热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据应用需要可以在两段中间布置绝热段2。

在热管的蒸发段，管壁受热，使得毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在压差的作用下流向另一端，放出热量，冷凝成液体，冷凝液在毛细力的作用下返回到蒸发段，从而完成一个循环过程。热管在实现传热的过程中经历了下面的几个主要过程：

1、热量从热源通过热管壁面和充满工作液体的吸液芯传递到汽液交界面；

2、液体在蒸发段内的汽液交界面上蒸发；

3、蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

4、蒸汽在冷凝段内的汽液交界面上凝结；

5、热量从汽液交界面通过吸液芯、液体和管壁传热给冷源；

6、在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。

热管的工作特点热管是依靠自身内部工作液体相变来实现热量传递的传热元件，具有以下基本特点2：

1、很高的导热性：热管内部主要依靠工质的汽液相变来传递热量，热阻很小，所以有很高的导热能力。热管的当量导热系数与铜、铝等高导热系数的金属相比要高出几个数量级。

2、优良的等温性：热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定了饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段的过程中所产生的压降很小，所以温度降低也很小。

3、热流密度的可变性：热管没有固定的加热段和冷凝段，在热管的哪个位置加热，那个位置就是加热段，在哪个位置对其进行冷凝，那个位置就是冷凝段，因此加热段和冷凝段以及加热面积和冷凝面积可以根据实际情况进行调节。

4、热源和热沉分离：加热段和冷凝段的布置位置比较灵活，适用于各种复杂场合。

热管的分类热管的种类和型式较多，再加上热管在结构和工作液体等方面各有不同之处，所以热管的分类方法很多。按照热管工作温度分为：低温热管、常温热管中温热管)、高温热管等；按照工作液体的回流动力分为：毛细热管、重力热管、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等；按照壳体材料和工作液体分为：铜-水热管、铝-氨热管、碳钢-水热管、不锈钢-钠热管等；按照热管的功用分为：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、制冷热管等。其中毛细热管中的矩形截面和等边三角形截面轴向槽道热管是本文的研究对象。

轴向槽道热管的研究进展对于槽道形式的吸液芯，最早见于 Kemme 在1966年和1969 年的报告，他指出利用槽道界面张力的作用可以使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能。槽道形式吸液芯热管一经提出，就受到广泛的关注。槽道热管具有以下特点2：

（1）对于理论研究，槽道热管的吸液芯结构几何外观上比较明晰、随机性较小，因此更适合微流动、微相变和微尺度传热过程的分析，其对于微肋、狭槽类微型能量系统的研究性更明确，针对性更强。

（2）槽道热管的毛细回流力由汽液两相界面轴向曲率半径差提供，作用力方向为槽道延展方向，且汽液两相直接接触等特点使槽道热管的理论研究更具特点。

（3）从应用角度来看，槽道热管的吸液芯结构是在管内壁加工的一些流体通道，吸液芯结构与壁面为一整体。这一特点带来了两方面的优势：首先，壁面与吸液芯结构之间的热阻较小；其次，二次加工性能好，在弯曲、压扁等加工过程中，不会出现吸液芯结构与壁面剥离甚至脱落现象，保持良好传热性能。

（4）蒸汽与金属接触面积大，从而使得热管具有较小的热阻。蒸发段槽道内的液体三面受热，接触线附近的薄液膜区相变阻力很小。在冷凝段，蒸汽在槽顶凝结后，在径向表面张力作用下，使该部分区域的液膜厚度极小，冷凝换热能力大大加强。

（5）吸液芯结构的各向异性使其在离心场、电磁场等环境下得到应用，发挥更大的作用。

轴向槽道热管按槽道形式可分为矩形槽道热管、三角形槽槽道热管和梯形槽道热管等;按热管外径大小可分为常规热管、小型热管、微型热管等。

目前对热管的研究文献非常多，但相对于数值研究，理论分析较少，以下总结了目前关于热管理论分析和数值计算的主要研究内容：

Cotter在1965年首次提出较完整的热管理论，他假设热管内的蒸汽和液体流动都是具有恒定边界条件的稳态不可压缩层流，建立了简化的热管模型，预测了管内蒸汽和液体的压力分布、理论传热极限。该理论直到今天仍是热管分析和设计的依据。

Bressler和Wyatt于1970年进行了三角形、半圆形和方形槽的有效毛细孔半径的数值计算，给出了毛细有效孔半径的表达式。

Dunn于1978年提出了一个用于估算轴向槽道热管蒸发段热阻的公式，推导中假定为一维热传导，各项热阻串联。经初步计算后认为热阻是热量由肋侧面穿过液体层传至液面的热阻。

Khrustalev和Faghri于1995年分别对低温轴向槽道常规热管和小型平板热管建立了数学模型，该模型考虑了通过槽内液膜和槽间肋面的传热、汽一液间的剪切力的影响，并将数值计算结果与Schlittetal的实验数据进行比较，得出如下结论:对于水平放置的轴向槽道热管，由于在热管轴向的每一个截面上，弯月面曲率的径向分布不同，造成蒸发段的热阻随热负荷的增加而减小，冷凝段的热阻随热负荷的增加而增大;对于工作温度在90~120℃的铜一水微型平板热管，蒸发段的最大热流密度受毛细极限和沸腾极限的限制。

R.Hopkinsetal于1999年分别对轴向槽道截面为梯形和矩形的微型平板热管的最大传热能力进行了实验研究和理论分析，结果表明:深窄槽道、壁面较厚的热管比宽浅槽道、壁面较薄的热管具有更好的传热能力。

Oomietal于1999年用实验方法测得了微型槽道热管的最大传热能力。

Sung Jin Kim于2003年建立并实验验证了梯形微槽道热管的数学模型，该模型能预测具有一定毛细结构的热管的传热特性，而且实验结果表明应用该模型极大地优化了热管的传热特性。

梯形轴向槽导热管早在1996年，Kobayashi等3，运用数值分析的方法，将梯形微槽道结构传热传质区域划分为宏观和微观，并运用守恒方程和Laplace-Young方程，数值计算得出微观区域即微槽道区传热能力极强，证实了微槽道的良好传热特性；2001年，Seo等，同样采用动量守恒方程和Laplace-Young方程，通过对剪切力、接触角、充液量等因素的试验考查，得出梯形槽道内液-气两相的压力分布；2003年，Suh等通过对半月面曲率半径、相间摩擦系数分析，建立了准二维热平衡方程，得出蒸汽压力分布和传热极限功率，是对梯形槽道应用基础理论研究的一大进步；2004年，范春丽等又针对梯形槽道热管的充液量、倾斜角度等影响因素，继续采用动量守恒方程和Laplace-Young方程，计算出了其传热热阻并通过实验研究，得出了其具有较高的传输功率和较好的传热特性；2005年，Jiao等构建了二维守恒方程和Laplace-Young方程，以梯形槽道结构、薄膜蒸发以及接触角为研究对象，得出梯形槽道结构对相变传热影响较为明显；同年，Chen等通过加工方法、传热性能等因素，对梯形槽道热管进行试验研究，认为壁面有一定摩擦对热管传热有利；同年，Suman等运用经验公式和数值分析方法，针对曲率半径和流速，建立起一维非稳态守恒方程，得出曲率半径、几何结构对其传热性能影响较大。

矩形轴向槽道热管从1996年，梯形微槽道出来的同时，Ochterbeck等运用数值分析方法，建立起一维守恒方程，得出了高宽比为1.35的矩形槽道性能较优的结果，研究学者也就同时对矩形槽道进行了研究4；1999年，Yan等运用分析法，针对槽道内部润湿速度、超临界启动过程，建立起热平衡积分方程，划分出了矩形槽道热管的启动时间和轴向温度的分布，为以后的研究打下了基础；2005年，Suman等矩形微槽道内工质流速和接触角为研究对象，建立起一维非稳态守恒方程，最终推算出经验设计方程，对今后微热管的设计具有一定的指导作用。与此同时，苏俊林等针对矩形槽道平板热管，对其热流密度和工作温度进行了试验研究，研究表明矩形槽道平板热管具有很高的传热能力，适合电子散热；随后的2006年liu等，在此基础之上，对其传热性能进行研究，并探索出纳米CuO对矩形槽道热管蒸发段传热具有强化作用；2007年，Lefevre等运用理论试验分析相结合的方法，针对曲率半径和传热极限因素，对矩形平板热管进行了优化。2008年，李西兵等通过对传热极限的研究，开发出矩形槽道热管传热极限模型，并通过实验验证；2009年，Stephane等对矩形平板热管的轴向温度分布进行了深入研究，将蒸发段的相变状况可视化；2010年，Kyu.Kyung等基于矩形平板热管，将工质中添加氧化铝纳米颗粒，建立槽道纳米流体流动模型，研究表明添加纳米颗粒形成纳米流体，可以增强热管的传热特性，为今后微槽道热管的发展，重新指明了新的研究方向5。

三角形轴向槽道热管
对三角形为槽道热管的研究，出现在梯形和矩形槽道以后，开始于1997年。Ma等人，运用数值分析法，针对三角形槽道的剪切力、接触角、蒸汽流动、工作角度和槽道结构，建立起动量守恒方程和Laplace-Young方程，得出了三角形槽道热管的毛细极限，初步奠定了三角形槽道的理论基础；2003年，Do等同样运用数值分析法，对曲线三角形槽道的曲率半径、相间摩擦系数，建立了Shah模型并列出了热平衡方程，得出了传热极限和两相压力分布，补充了三角形槽道理论6；2003年，Kim等运用数值分析方法，针对三角形槽道的剪切力、接触角和热管充液量，构建了一维动量方程，得出了其传热极限；2005年，Thomas等根据有限单元法和经验公式，对槽道形式、剪切力，构建了动量守恒方程和Laplace-Young经验方程，得出三角形槽道的毛细极限；同理在2007年，Suman等运用同样的数学模型和经验方程，针对热阻和传热极下的毛细极限，进一步深化了三角形槽道理论；2008年，Kyu等通过数据分析和集中参数，构建出一维守恒方程和Laplace-Young方程，研究得出提高微型热管传热极限的方法。

Ω形轴向槽道热管此种形状槽道热管，是最近几年才发展起来的新兴微槽道结构，国外几乎没有文献报道。国内研究主要集中在东南大学、昆明理工大学。

理论研究Ω形槽道的理论研究主要以山东大学和东南大学为主。

2007年，郑威利用Cotter理论，针对设计的Ω形轴向槽道热管，进行了传热机理分析，并求解了此热管在不同工作温度下的各种传热极限，同时计算出了热源在上时的最大工作倾角，为Ω形槽道热管的理论研究奠定了基础，但尚未全面深入。

2008年，张程宾等7运用经验公式和数值分析方法，针对曲率半径和流速，建立起二维守恒方程和Laplace-Young方程，计算出了Ω形槽道的传热极限；同时，又对此类型热管在蒸发段和冷凝段的吸液芯内热流通路的分析，并考虑沿轴向蒸发段和冷凝液膜的厚度分布，建立Ω形轴向槽道热管热阻的理论预测模型，分析讨论了工作温度、热负荷及吸液芯结构对热管热阻的影响。结果表明：Ω形热管的热阻随工作温度和热负荷的增加呈线性增加但增加幅度不大。在满足热管结构尺寸和热负荷要求的前提下，选择大毛细芯窄缝宽度和小毛细芯直径，能有效提高热管等温性。并通过实验验证所建立的理论模型的正确性；2009年，张程宾等首次提出小生境遗传算法，针对几何结构和热阻，探索出遗传算法在热管性能优化的可行性，并进行了相关传热特性的实验研究，结果表明：Ω形槽道热管具有良好的恒温特性和导热性能，可实现高热流、长距离、低温差的热量传输。该形热管的当量导热系数是360~460KW/（m.℃），能达到紫铜的1000倍，总热阻为0.0085~0.0112℃/W，蒸发传热系数为2900~3500W/（m2.℃），凝结传热系数为5200~8400W/（m2.℃）；与此同时，陈永平等通过试验研究，得出Ω形槽道热管的传热极限，开发出适合Ω形槽道计算模型。

应用研究2007年，郑威根据AMS-02散热板中热管的使用要求和工作条件，选取Ω形轴向槽道作为小型轴向槽道热管结构，进行相关设计，工质为氨，管壳材料为铝，研究设计了其加工工艺，分别为机械加工、清洗、干燥、组装、检漏、除气、充装和封接等，最后通过实验鉴定了Ω形槽道热管的性能并对其传热特性进行了实验研究，给出了Ω形槽道热管的启动特性和稳态特性，分析了加热功率、冷却水流、充液率及放置倾角对工作温度的影响；热管工作温度、加热功率及放置倾角对热管沸腾换热系数表面传热系数、凝结换热表面传热系数、热阻及当量导热系数的影响2。
2011年，昆明理工大学的黄宇轩等，搭建了热管实验测试平台，对Ω形轴向槽道铝-丙酮热管进行了性能测试，研究了在不同温度、不同倾角以及不同充液量下，Ω形铝-丙酮热管的等温性能，启动时间，并对实验结果进行了分析。研究表明：在同一热源温度条件下，工质充装量越多，热管的启动时间越长；在工质充装量相同时，热源