[科普中国]-超导热管

发展历程

1944 年美国俄亥俄州通用发动机公司的研究人员在研究制冷问题时，设想一装置由密封的管子组成，在管内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，在无任何外加动力的前提下，冷凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续蒸发，如此循环，达到热量从一处传到另一处的目的。当然这些工作也只是停留在初步研究和申请专利阶段。

1963 年美国洛杉矶国家实验室发明了类似的传热元件，并进行了性能测试实验，后来又在美国的《应用物理》杂志上公开发表了一篇论文，并正式将这一传热元件命名为热管，指出它的导热率远远超出任何一种已知的金属，并给出了以钠为液体工质，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯的热管的实验结果，热管这才为人们所知。

1965 年美国的科特首次提出了完整的热管理论，为以后的热管原理的研究工作奠定了基础。

1967 年不锈钢——水热管首次安置在轨道卫星上并运行成功，从而吸引了很多科学技术人员从事热管的研究。

1974 年以后，热管在节约能源和新能源开发研究方面得到了充分的重视，由热管做成的换热器来回收废热，并将其应用于工业以节约能源。

进入 20 世纪 80 年代后，世界各国的热管换热器研制工作迅猛展开；到 90 年代末期，为了降低热管的生产成本、缩短热管的设计周期、提高热管的设计水平，特别是随着热管计算机辅助设计水平的发展，各大热管生产厂家纷纷开发出了热管计算机辅助设计的软件，大大缩短了热管的设计和开发周期，促进了热管技术应用的发展。1

超导热管是渠玉芝教授于上世纪80年代研究成功的，是一种将数十种无机热超导体材料密封在管状或片状夹层物理的空隙中制成的传热元件，亦称无机传热元件。

工作原理美国斯坦福研究院通过大量实验，用排除法对超导热管的热传送方式进行了研究，对以下两种假说进行了否定：

1、否定了渠氏超导热管即是常规热管的假说。

超导热管内没有任何气体，也没有足够的物质，无法按常规热管的传热方式进行分子的热传导。并且，超导热管可以在很大的温度变化范围内工作，而常规热管无法做到。因此，超导的传热媒介被视为是在热传导技术上很有潜力的突破。

2、否定了渠氏超导热管内有核反应，是电子传热或中子传热的假说。

用r射线检测仪和中子探测仪检测运行中的渠氏超热导管，结果发现以中子流和r射线形式所发射的辐射总量和直径相同的钢管被加热时产生的辐射总亮相等，且低于以自然环境为背景的辐射量。

因为r射线是正、负电子湮灭时发出的能量形式，所以这一检测同时也否定了电子传热的假说。

由发明家本人证实，超导热管内没有化学反应发生，只有物理变化发生。因此，目前关于超导热管的热传送方式，尚存超导热管依靠管内微粒子波的形式振动的假说。这种波具有波的性质，有反射、折射、衍射的特性，但不同于波浪和弦的振动，科学界称其“波包”。

超导热管被加热时微波粒子被激发，振动速度和振幅加大，但波的传播速度是不变的，这种波速是与无线电波和光波的速度同级别的，以此来解释超导热管的奇异特性，是可以说通的。

超导热管与常规热管异同1、导热系数超导热管的导热能力远远超过常规热管，在所有固体中，金属银是最好的热导体，常规热管的导热系数是银的200-3000倍，而超导热管可达到银的32000倍。

常规热管的热流密度极限（导热能力的技术指标）为0-4000000w/m²，而超导热管经国内外多次测试，均因热源功率不足而无法测出这个极限，也就是说，在目前条件下给超导热管输人多少热量，它就能输出多少热量，暂时还未能找到它的热流密度极限。

2、等温特性常规热管和超导热管都具有等温特性，但即使加热端与远端温度大致相同，常规热管远端比加热端一般要低3-5℃，而超导热管远离端的温度反而高出加热端3-5℃。

3、使用条件限制**热管安装：**常规热管介质依靠重力和热对流运动，使用时基本上要垂直或适当倾斜安装。而超导热管不受此限制，可以水平安装，管可以向下弯曲。

**导热方向：**常规热管的导热方向从上向下。而超导热管的导热方向不受限制，甚至有从下向上导热的情况（例如，青藏公路防止冻土灾害的热棒即属此种）。

**环境条件：**常规热管在零下30℃会冻裂，高于800℃则基本不能使用，其高温限由传热介质的承受能力决定。而超导热管在零下70-1700℃环境都能运行，其高温限是由管材料决定的，金属不能承受的温度，可用耐热的陶瓷、玻璃制成管件。

4、可靠性与使用寿命常规热管因为传热介质与管材不能长期相容，运行中会产生不凝性气体，积累到一定程度热管会失效，甚至爆管。一般使用寿命为1-2年，个别使用温度不高时也有用6-7年的。常规热管最怕外表面积灰、积水垢，需要定期清灰、除垢。

超导热管的使用寿命可长达10年以上。可能因为内部介质高频振动，超导热管在热水中不易积垢，而在锅炉炉膛中的超导热管因为没有翅片，积灰也难，一旦积灰，清灰容易。

例如：我国包头钢铁公司使用的一台以超导热管为换热元件的空气预热器，已经运行了五年，性能未见任何下降；美国斯坦福研究院所做的超导热管的长期试验连续工作了1400多天，自动记录仪显示，加热器远端与近端的温度差保持不变。3