[科普中国]-环路热管

热管简介

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。管（heat pipe）技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。现在常见于cpu的散热器上1。

从热力学的角度看，为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢？物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中对流传导最快。热管是利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程（即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热），使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，直到热管两端温度相等（此时蒸汽热扩散停止）。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。环路式热管的出现被界内认为是两相流换热技术的重大新突破。但是随着应用的深入，在特定的使用场合也暴露了该热管的一些缺点。面对紧凑式、分散式、长距离、多点复杂的高热流密度热源的散热问题，由于自身结构和工作原理的限制，CPL和LHP已经显得几乎无能为力。科学工作者们遂开展了对外加动力热管的研究。

国内外研究现状
为了解决传统热管传热受长距离和冷热源方位限制的问题，前苏联国家科学院的Maidanik等人2于1971年在传统热管理论的基础上提出了环路热管的概念，并于1972年设计加工出第一套环路热管。随后的十几年，环路热管在前苏联国内得到不断发展。1985年，Maidanik等人在美国为这种热管申请了专利。这个依靠毛细力驱动工质循环的自动传热装置曾先后被称为“Heatpipe”、“Heatpipewithseparatechannels”和“Antigravitationalheatpipe”，直到1989年，环路热管首次被应用于前苏联的航天器热控系统中，它才被国际上广泛关注，并最终被命名为“Loopheatpipe”，在国内业界称之为“环路热管”。90年代以后，环路热管因其优点受到了各国相关学者和空间飞行器热控设计工作者的广泛关注，许多国家都投入大量资金进行研究，各种结构形式、采用不同工质的环路热管不断在有关的学术会议上亮相。对环路热管的研究主要包括实验研究和分析、数学建模以及应用研究三个方面。

系统构成与工作原理
环路热管（LoopHeatPipe，LHP）一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。与早期结构的显著区别是将液体回流管线引入到蒸发器中心，这段回流管线称为液体引管3。

LHP的工作原理：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。

LHP的正常运行要求毛细芯产生的毛细压力必须与工质在回路内循环的总压降相平衡，这些压降主要包括工质在蒸气槽道、蒸气管线、冷凝器、液体管线以及毛细芯内流动产生的摩擦压降以及反重力运行时液体回流所需克服的重力压降。

若工质在回路内循环的总压降超过毛细芯所能提供的最大毛细压力，蒸气将击穿毛细芯进入液体干道，工质的正常循环无法维持，LHP将无法正常运行。
LHP在传统热管的基础上发展而来，它继承了传统热管的优点，同时克服了传统热管的固有缺陷和不足。LHP与传统热管最显著的区别为毛细结构的局部化设置，它只在蒸发器吸热区域布置毛细芯，将传统热管毛细芯的毛细抽吸功能与液体回流功能分离。对于LHP，液体经过光滑内壁管线回流，流动压降显著降低，因而可采用能提供很高毛细压力的微米级孔径毛细芯来克服重力的影响，同时不会产生增加液体回流阻力的负面影响。因此，LHP传热距离远，反重力能力强，解决了传统热管受到使用方位和长度限制的问题。此外，LHP将蒸气通道和液体通道分离，蒸气和液体分别在各自的管线内传输，从而杜绝了携带现象的发生。值得一提的是，蒸气管线和液体管线的分离使得LHP的安装变得灵活方便，不再受限于热源与热沉的方位和距离，这是相对传统热管的又一优势。

部件介绍蒸发器蒸发器是LHP的核心部件3，它具有从热源吸收热量以及提供工质循环动力两项重要功能。经过数十年的改进和发展，目前较为普遍的结构形式，蒸发器本体主要包括蒸发器壳体、毛细芯和液体引管。毛细芯外侧的轴向槽道称为蒸气槽道（Vaporgroove），毛细芯内侧为液体干道（Liquidcore或Evaporatorcore）。
毛细芯是蒸发器的核心元件，它提供工质循环动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，同时阻隔毛细芯外侧产生的蒸气进入储液器。目前常用的毛细芯结构如图1.6所示（俄罗斯国家科学院热物理研究所样品）。毛细芯一般是将微米量级的金属粉末通过压制、烧结等工艺成型，形成微米量级的孔径，图1.7给出毛细芯在电镜下的多孔结构图。

毛细芯内液体干道的设置是为了使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯进行供液。否则，液体从储液器沿轴向向毛细芯的供液阻力非常大，很容易造成供液不足，导致毛细芯产生轴向温差，甚至出现局部烧干现象。设置液体引管将回流的过冷液体直接引入到蒸发器中心，一方面，回流液体携带的冷量可用来平衡蒸发器透过毛细芯的径向漏热；另一方面，当液体干道内由于蒸发器的漏热产生了气泡或积聚了不凝性气体，从液体引管流出的过冷液体可以依靠自身携带的冷量对气泡进行冷却和消除，同时依靠自身的流动将这些不凝性气体或气泡推出液体干道，防止毛细芯内表面发生气塞现象，提高蒸发器的运行稳定性。

冷凝器
LHP系统的热导很大程度上取决于冷凝器与热沉之间的换热性能。早期对LHP的研究大多针对空间应用背景，冷凝器主要以辐射的形式向空间热沉释放热量，因而普遍采用将冷凝器管线嵌入冷凝器板的结构形式，地面实验中亦可采用简单的套管式冷凝器，使用恒温槽模拟热沉，泵驱动冷媒介质（如水、乙醇等）在套管内循环流动对冷凝器进行冷却。

传输管线
传输管线包括蒸气管线和液体管线。传输管线一般为细长的光滑内壁管（管径范围1-5mm），起到连接蒸发器和冷凝器的作用，从而构成工质循环流动的回路。工质在光滑内壁管内流动阻力小，且管线柔韧易于弯曲，对复杂应用场合具有良好的适应性。传输管线管径过小会造成工质流动阻力的增大，降低LHP的传热能力；而管径过大会导致回路中的工质充装量以及储液器体积的增大，同时管线的柔韧性变差。因此，应根据实际应用情况对传输管线的管径进行合理的选择。

储液器同传统热管相比，LHP在结构上增设了储液器。储液器位于蒸发器一端且两者直接相连，结构紧凑，如图1.5所示。储液器的设置对LHP具有重要作用：

1、通过工质充装量与储液器容积的匹配设计，保证LHP蒸发器毛细芯一直被液体工质所浸润，启动前无需进行任何预处理，可直接对蒸发器施加热载荷来启动LHP；

2、LHP运行过程中保证对蒸发器毛细芯的液体储备与供给；

3、适应启动或变工况运行过程LHP回路内气液分布的变化与调整，实现工质在传输管线、冷凝器与储液器间的自由转移；

4、可容纳蒸发器液体干道内产生的蒸气或回路内存在的不凝性气体，防止液体干道内发生气塞现象而妨碍对蒸发器毛细芯的正常供液；

5、通过对储液器施加一定的功率（加热或冷却），可实现对LHP运行温度的精确控制。
由于储液器对LHP的启动及运行具有重要意义，合理确定储液器的容积十分重要。由于工质充装量与储液器容积的大小密切相关，在LHP设计过程中，两者必须进行匹配设计。

工质选择工质选择对于LHP的设计十分重要，因为它决定了LHP的运行温区、传热性能、传热极限以及工作寿命等。
首先，应根据LHP的工作温度范围来选择合适的工质。在工作温度范围内，工质必须能以气液两相状态存在，即LHP的最低工作温度应高于工质的凝固点，而最高工作温度应低于工质的临界温度。否则，工质将在回路内冻结或无法发生相变，因而LHP将无法正常运行。同时，应保证工质的凝固点低于热沉温度，否则，冷凝器因与热沉直接相连而可能被冻结，进而造成LHP无法启动4。

其次，必须考虑工质与壳体材料的相容性。工质必须能浸润毛细芯和管壳，同时，在LHP预期的设计寿命内，工质不能与毛细芯或管壳材料发生化学反应，或发生轻微的化学反应但不足以影响LHP的工作性能。否则，工质会腐蚀管材或产生不凝性气体，影响LHP的传热性能以及使用寿命。

最后，适合该工作温度范围和满足相容性的工质可能有多种，还应考察工质是否具有良好的热物理性质，如较高的蒸发潜热、较大的表面张力、较高的导热系数以及较低的黏度等等。综合考虑各种物性参数的影响，通常采用Dunbar因数（以BritishAerospace的CPL研究者NilDunbar命名）对不同工质的综合性能进行比较。

传统热管的优点与局限热管作为一种具有超高导热性能的传热元件在业界已广为人知，在军用和民用领域均得到了广泛应用，如将热管应用于航天器热控制、电子器件冷却以及工业余热回收等。与其它传热元件相比，热管具有很多优点5：

(1)热管具有极高的传热性能，能以很小的温差远距离传输较大的热量；

(2)热管具有优良的等温性，蒸发段与冷凝段壁面温度分别接近蒸发温度和冷凝温度，具有良好的温度一致性；

(3)热管内工质的循环由毛细芯产生的毛细压力驱动，无需外加动力；

(4)热管具有良好的启动性能，蒸发段与冷凝段两者存在很小温差时，热管便能迅速启动，实现热量的高效传输；

(5)对于水平放置的有芯热管，热量传输方向具有可逆性，而对于重力热管，具有热二极管（单向传热）的特性；

(6)热管具有良好的环境适应性，可根据热源和热沉的结构形式对热管结构进行一定的改变，如设置多个蒸发段或冷凝段，制成平板热管或分离式热管等。
然而，传统热管也存在一些固有的缺陷，限制了它的传热能力以及广泛应用，主要包括如下几个方面：
首先，传统热管受到使用方位和长度的限制。在重力场中，当蒸发段位于冷凝段上方会对热管运行产生不利影响，因为毛细芯可能无法提供足够的毛细压力去克服重力而使冷凝液体回流至蒸发段，即传统热管的反重力能力非常差，尤其对于槽道热其次，传统热管内有携带现象发生。由于热管内蒸气和液体直接接触且流向相反，导致蒸气对毛细芯内的回流液体施加剪切力。当蒸气流速较高时，可能将气液界面的液体以微滴形式携带回冷凝段，同时液体回流受阻。携带导致所需的工质循环量增大，当液体回流不能满足循环量增加时，蒸发段就会烧干。携带现象是限制传统热管传热能力的因素之一。
最后，传统热管安装不够灵活方便。传统热管的管壳通常是铜、铝合金、不锈钢等金属材料，只允许一定程度

展望但是，目前环路热管的研究领域仍然存在一些研究空白和许多悬而未决的问题，可总结为以下三个方面1：
（1）环路热管的稳态运行特性和数学建模

目前，已有的研究基础和成果已揭示了环路热管的一些基本原理和特性，基于回路内能量和压力平衡的分析已可以对环路热管的大多数原理和特性给出解释。但是，环路热管在一些特殊工况下以及以特殊结构形式应用时的运行机理和特性仍不明确，对某些运行机理的认识还存在误区，例如重力辅助姿态下的运行规律、启动和运行时一些特有的动态特性等。因此有针对性的实验研究仍需进一步开展。此外，目前国内外关于环路热管理论研究也相对较少。现有的从储液器能量平衡的角度建立起来的环路热管稳态一维数学模型，虽然可以模拟出环路热管的可变热导特性，但过多的假设导致还不能反映环路热管很多工作特性。关于环路热管的理论研究，国内外都尚未开展的内容包括：环路热管的动态数学建模、环路热管的反向式蒸发器内多孔介质中的相变传热过程仿真，毛细芯槽道和蒸发器内齿的优化问题以及高热流密度环路热管的极限传热能力分析等。这部分理论研究的深入将能进一步解释环路热管的传热机理和动态特性，从而提高环路热管的传热性能和实现目标设计和优化设计。
（2）启动问题和不稳定性问题

环路热管的各项性能仍有待提高，包括其启动性能、传热性能、运行适应性以及稳定性。目前仍阻挠环路热管步入实际应用的两个较大问题是其启动问题和运行不稳定性问题。从公开发表的文献来看，相关的研究比较缺乏，机理尚不明确。
第一，启动问题。我国的风云一号卫星热控系统中使用了俄罗斯提供的6套环路热管，其中2套在空间飞行期间出现了无法正常启动和运行的故障，由此引起被控对象温度上升。除了无法正常启动外，环路热管的启动还存在两个主要问题：一是启动时蒸发器温度过高，可能会超过仪器允许温度范围。为解决启动时蒸发器温度升高（Temperatureovershoot）过大的问题，提出过两种主动辅助启动措施——对蒸发器辅助加热和对储液器制冷，但这两种方式都需要额外的能耗和控制系统，破坏了环路热管本身自动工作的特性，且相关的实验研究结果也未见发表。另一个启动问题是某些启动方式会导致启动后稳态工作温度偏高，如高过热度的核态沸腾启动。NASA的环路热管研究者们推测高过热度启动时蒸汽槽道内发生核态沸腾后产生的蒸汽可能会穿透毛细芯进入芯内，增大漏热，并对稳态运行有持续影响。这种猜测存在很大的疑点，仍需进一步研究。
第二，不稳定性问题。目前环路热管的工作不稳定性也是尚未解决的一个问题。很多文献报导过环路热管工作时的不稳定性。环路热管的工作不稳定性主要表现在运行时会出现以下几种现象：温度迟滞（Temperaturehysteresis）、温度波动和倒流现象。环路热管工作中出现的这些不稳定现象使系统某些时候处于一种亚稳态，并导致出现不稳定现象之后的工作温度偏高。为了进一步了解环路热管工作不稳定的原因，有必要进行更多相关的机理研究。正确理解启动和不稳定性的机理和特性，才能有效地对环路热管的部件结构进行改进。启动问题和工作不稳定性问题的解决将会使环路热管向工程应用迈进一大步。
（3）环路热管的应用研究

在环路热管的应用方面仍有大量工作需要开展，不同应用形式的实验和理论研究需要进一步拓展和完善。航空航天领域的需求促使环路热管的相关应用研究迫在眉睫。采用双储液器式的环路热管是解决重力场（如地面、船舶潜艇、航空飞行器等）中应用时储液器位于蒸发器下方时供液不足问题的有效措施，虽然双储液器环路热管的概念提出已久，但相关的理论和实验研究都还少见报道。而在航天领域，针对空间应用背景的可展开式辐射器也是发挥环路热管诸多优点的又一个典型应用范例，国外已有相关研究工作的报道，该系统存在许多关键技术尚需攻克和解决，包括热量收集技术、柔性热关节选取、辐射器的优化设计以及防冻解冻技术。此外，基于环路热管的可展开式辐射器的空间环境模拟实验结果较少，系统的运行特性和规律也尚未掌握，需要开展相关的理论和实验研究工作。

此外，目前对环路热管的主要研究手段都是理论建模和实验研究。其中理论建模的研究大部分是针对环路热管稳态运行性能进行的，对启动特性等重要性能的研究较少，并且过多的假设条件使得模型并不能最完整的展现环路热管的运行情况。实验研究多数都是根据实验结果结合理论进行推导总结环路热管内部的运行情况，而环路热管内部运行的真实情况并不能得到最直接的反映。因此对环路热管的可视化研究就显得非常有必要了，尤其是在研究不凝气体对环路热管运行性能影响的时候。