常规热管Heat Pipes

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什么是热管?热管的起源与发展

热管技术早在1942年前就已出现,当时Perkins发明并改进了热虹吸管(一种简单的重力热管)。1942年后,Gaugler提出了现代热管的原理,但未实际应用。直到1963年在位于美国的LosAlamos国家实验室中G.M.Grover再次提出这一原理。并发明了以“热管”命名的传热元件。热管属于一种传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷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,其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。以前热管技术一直被广泛应用在宇航、军工等行业,被引入散热器制造业还是近几年的事情。正是因为有热管技术的存在,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管技术的崭新散热模式。热管技术更为PC的静音时代带来了契机。

热管以稳健的形式利用流体相变的高热容量,使其成为最有效和最通用的热管理技术之一,可以可靠、快速地传输热量。

热管由三个主要部件组成:真空密封外壳或外壳、工作流体和灯芯结构。外壳使热管工作流体保持真空密封,以实现数十年的持续热传输。工作流体在应用温度范围内改变相位,必须与热管外壳和灯芯材料兼容。灯芯被动地通过热管移动流体。


热管的工作原理是什么?热管是如何工作的?

热管是一种封闭的蒸发器-冷凝器系统。密封壳是内衬毛细管结构或灯芯的空心管。在指定的蒸气压下,工作流体使芯毛细管处于液体和蒸汽之间的平衡状态。

当热管开始吸收热量时,灯芯中的液体蒸发。蒸汽充满热管的中空区域,称为蒸汽空间,并将热量均匀地扩散到热管上。热管上的热量分布很快,决定了热管的高导热性。

当沿热管的点降至蒸发温度以下时,蒸汽接触较冷的灯芯和外壳,并将其潜热释放到外壳中。蒸汽不再有足够的能量来维持气态形式并凝结成液体,然后渗入灯芯结构。灯芯内的毛细管作用将冷凝水返回到蒸发器区域并完成操作循环。


热管的优势是什么?为什么要使用热管?

热管具有极其有效的高导热性。铝、铜、石墨和金刚石等固体导体的导热系数范围为 250 W/m•K 至 1500 W/m•K,但热管有效导热系数范围为 5000 W/m•K 至 200000 W/m•K。

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件,具有以下基本特征:
1.很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。
2.优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。
3.热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,反之亦然。这样可以改变热流密度,解决一些其它方法难以解决的传热问题。
4.热流方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管,由于其内部循环动力是毛细力,因此任意一端受热就可作为蒸发段,而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应器及其它装置。
5.热二极与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关。所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。
6.恒温特性(可控热管) 普通热管的各部份热阻基本上不随加热量的变化而变,但可变导热管使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。

7.环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。

热管有哪些应用方式?热管能与其他散热方式结合吗?

热管常见的应用类型如下:
1>直管应用
2>折弯后应用
3>打扁后应用(如超薄热管)
4>折弯并打扁后应用

热管产品可以结合其他各种散热鳍片,达到高效传热的目的。


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