[科普中国]-并行式热管

结构特点

回路并行式热管的工作原理和结构特点与普通的热虹吸管有很大的差异。图 1 所示的是单根热虹吸管, 工作液体在内部从蒸发到冷凝然后在重力的作用下液体回流到蒸发端, 蒸汽和冷凝液在同一根管子内部流动2;

图 2 是回路并行式热管, 两侧同时加热和冷却, 工作液体在蒸发段蒸发汽化, 蒸汽同时沿着两侧管上升, 同时沿壁面冷却回流。此外回路并行式热管还具有如下的一些基本特点: 内部吸液芯和绝热段可有可无; 加热段的布置位置和加热方式灵活; 无需外加动力, 主要依靠重力回流, 在很小角度的情况下能产生自激循环来工作, 同时传递工作液体的潜热和显热; 内部工作液体的流动方式会随着角度的不同而改变3。

基于以上特点, 与普通的热虹吸管相比, 回路并行式热管具有如下显著的优点:
(1)结构简单, 生产成本低。内部结构简单, 无需吸液芯, 减少了热管结构的复杂性和加工的难度, 降低了生产成本; 热量传递能力来自于自身液体的相变和重力的辅助作用, 无需其它外加设备, 减少了运行和维护的费用。

( 2)传热性能好。回路并行式热管由于回路的存在使得热管在工作过程中不容易出现干涸现象，达到传热极限。在合适的充液率下，传热能力比普通的热虹吸管大2-4倍。
(3)适应性好。热管的布置灵活，可以有多个冷却段和加热段;而且可以在0。-90。之间任意角度转动;克服了普通热虹吸管在0。角附近工作不正常，传热恶化的现象，大大增加了它的适应性，扩大了使用范围。不但可以应用于大型工业换热器，也可以应用于小型微电子产品的散热器，以及其他一些要求严格的特殊场合。

物理现象回路并行式热管的物理现象指热管启动和正常运行时管内液体的流型和运行特征。在低热流密度和大充液量的情况下，出现间隙沸腾也即发生大液塞脉冲振荡;在充液量稍大的情况下，出现小液塞脉冲现象;情况较好的是工作液体在管壁形成液膜同时底部有一很小的液池;在大热流密度和小充液量的情况下则会出现干涸现象，加热段壁而温度迅速上升，出现极限状态3。

在较低热流密度时，管底部的液池没能产生沸腾，池内主要是自然对流;随着热流密度的增大，液池内产生气泡，发生脉冲现象;继续增大热流密度，液池内形成沸腾，蒸汽量大大增加，汽液界而的相互作用力加大，管壁出现许多稳定或不稳定的小溪流。.当热流增大到一定的程度时会发生突发沸腾;进一步增大热流流动转变为膜态沸腾，沸腾换热系数增高。

在加热段或者冷却段热流密度不均衡时，管子内部的工作液体在通道内部产生整体形式循环。蒸发段热流密度大的一侧产生的蒸汽压力较大，推动蒸汽向热流密度小压力低的一侧，整个环路最终达到一个自激平衡的状态。

影响因素
影响回路并行式热管运行与性能的因素很多，大致可以概括为以下几个方而:
（1）几何参数回路并行式热管的长度、截而几何形状、尺寸以及加热段/绝热段/冷却段的长度，是否加吸液芯。
（2）物理参数工作介质的充液率和物理性质，工作液体和管子材料的相溶性，管子材料的物理性质。
（3）操作参数加热和冷却的方法、位置、热流密度的大小，工作时热管的倾斜角度。

回路并行式热管传热特性通常是这些因素综合作用的结果，不能认为是孤立的。下而讨论几个重要的影响因素。

物理特性管径管子的直径不能很小, 若到一定的程度使得内部产生液塞和气泡共存, 就成为了单回路的振荡热管。所以对于回路并行式热管最小的直径就是要超过振荡热管的最大内径3。

倾斜角度热管的倾斜工作情况有两种, 工作状态下, 热管可以在 0°≤θ≤180°之间变化时都能保持正常的工作状态; 根据充液量的不同, 在角度变化时内部工作液体的流动形式是不同的。在均衡加热大角度的时候, 热管内部的流动情况和 STT 相似; 而在小角度的工作情况下内部流动情况就发生了变化, 形成了工作介质的循环流动 工作状态下, 热管需要在正倾角状态下工作, 均衡加热时工作液体与 STT 相似。

加热和冷却方式当两侧加热或者冷凝不均, 即热流密度不相等时, 热管内部的流动情况将会发生变化。 无论状态 或者是状态, 当两侧的加热或者冷却不平衡时, 内部的汽液流动会形成循环回路, 由热流密度大的一侧到热流密度小的一侧。

液介质物理性质充液介质的物理性质包括表面张力、比热容、汽化潜热、动力黏度、密度、饱和状态下压力随温度的变化率等。研究发现在不同冷却速度以及不同工质种类条件下的温度分布和动态响应特性有很大差别, 通过比较水、氨、乙醇、丙酮在相同的加热和冷却条件下的情况, 得出水和氨做工质的热管具有较高的换热能力和较快的响应速度。

比较了水和乙醇在同样的热输入条件下, 水的换热系数要比乙醇大约高 2 倍, 其原因主要是介质的物理特性决定的。

充液率充液率为工作介质的总体积占热管内部加热部分体积的百分比。和普通热管一样, 回路并行式热管的充液量对其传热性能的影响也很大。找到一个最佳的充液量和适用的计算式, 一直是研究人员追求的目标。但由于其工作的状态、位置的不同, 充液量跟 STT 相比有很大的差别。由于当前回路并行式热管的研究还处于起步阶段, 弄清充液量对热管传热性能的影响需要进行大量的试验和研究工作。

应用研究由于回路并行式热管良好的性能及灵活的安装布置方式, 使得应用范围很广。

电子器件散热随着电子技术的迅猛发展, 电子器件及设备的集成度越来越高, 功耗也越来越大。研究资料表明, 单个半导体元件的温度每升高 10 ℃, 系统的可靠性降低 50%, 超过 55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的, 由此可见电子器件的散热显得尤为重要。开发小而轻、散热能力强、成本低的新型传热装置成为研究人员的新兴课题, 振荡热管、回路热管、微型热管、低温热管、热虹吸管等各种散热产品不断涌现4。

工业热利用同其它形式的换热器相比, 热管换热器具有传热效率高, 压力损失小, 工作可靠, 结构紧凑, 冷热流体不混杂, 无辅助动力和维修费用低等优点。工业热管换热器, 基本上是热虹吸管(重力热管)的形式。工业碳钢- 水热虹吸管容易产生不凝性气体而失效; 传热能力、使用范围有限; 热管再生复杂工作量大。这些问题导致实际使用时设计安全系数大, 钢材耗量和体积增大。回路并行式热管, 不但传输功率比热虹吸管大, 节约了钢材耗量, 减少了体积; 而且并行式热虹吸管的再生方便,恢复简单, 花时少。所以在工业热利用方面, 回路并
行式热管比热虹吸管有更大的应用前景。

其他特殊应用大型天文望远镜的焦面散热是比较复杂和十分重要的问题。由于望远镜焦面处于真空环境, 焦面及其支座需要绕轴转动, 同时又要沿轴向做前后运动,镜筒倾角也需要在 3°