热管技术的原理、应用与发展

热管技术的原理、应用与发展 1 引言 传统散热方式主要是空气冷却、强制风冷散热以及水冷散热。 (1) 空气冷却 也称自然冷却，一般是将电子元器件的发热核心部位与型材散热器相接触，通过空气的自然对流方式将热传导出来。其优点是结构简单、安装方便、成本低廉。缺点是散热功率低。 (2)风冷散热 这是目前最普遍的散热方式，一般是将电力电子元器件的发热核心部位与散热器相接触将热传导出来，然后再通过风扇转动，来加强空气的流动，通过强制对流的方式将散热片上的热传至周围的环境。 优点：结构简单，价格低廉，安全可靠，技术成熟。 缺点：降温的效果有限，不能达到令人满意的程度，并且具有噪音，风扇的使用寿命也有限制。 (3) 水冷散热 其原理是利用水泵驱动水流经过热源，进行吸热传递。 优点：水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可以解决几百至数千瓦的散热问题，是风冷效果所不能比拟的。因为即使是散热效率最高的涡轮风扇风冷散热，其温度比水冷散热也要高大约10℃；相比于风冷散热，水冷散热因为没有风扇，所以不会产生振动现象，也无风冷散热的高噪音。 缺点：需要良好的通风环境，并且体积大，安装和维护不方便，容易滴漏、安全性不高，价格一般也相对较高。 (4) 热管散热 热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到良好的制冷效果。具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、温度可控制等特点。将热管散热器的基板与晶闸管、igbt、igct等大功率电力电子器件的管芯紧密接触，可直接将管芯的热量快速导出。 通过对上述几种散热方式的分析，我们不难看出，热管散热相对于其他几种传统散热方式存在以下的优势： ● 热管散热技术具有散热效果好，热阻相对小，使用寿命长，传热快的优点。热管的热导系数是普通金属的100倍以上； ● 传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发端和冷凝端； ● 优良的热响应性。热管内汽化的蒸汽能以接近音速的速度传输，从而有效的提高了导热效果； ● 结构简单紧凑，重量轻，体积小，维护方便； ● 无功耗、无噪音、符合工业“绿色”的要求； ● 可以在无重力场的环境下使用。 综上所述：热管传热利用热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递到热源以外。采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到良好解决，随着热管加工工艺的不断改善，其可靠性、安全性、耐用性将会更加提高，而成本和价格也会进一步降低。热管散热器将有着传统散热器所无法比拟的优势，它的出现开辟了散热行业的新天地。 2 热管的基本工作原理 2.1 工作原理 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。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体（即工质），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。热管一端为蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。 2.2 组成与工作过程 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×(10-1～10-4)pa的负压后充以适量的工作液体（即工质），使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程： (1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到（液－汽）分界面； (2)液体在蒸发段内的（液－汽）分界面上蒸发； (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）分界面上凝结； (5)热量从（汽－液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源； (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。 2.3 工作条件 图1示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质量、流量、压力以及管壁温度tw和管内蒸气温度tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。 图1 热管管内汽-液交界面质量流、压力和温度沿管长的变化示意图 热管正常工作的必要条件是： △pc ≥ △pl +△pv +△pg 其中△pc：毛细压头—是热管内部工作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降△pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降△pl，和重力场对液体流动的压力降△pg（△pg可以是正值，是负值或为零，视热管在重力场中的位置而定）。 3 热管的基本特性 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。 3.1 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。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。 3.2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，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 3.3 热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，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，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他难以解决的传热难题。 3.4 热流方向可逆性 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容器及其他装置。 3.5 热二极管与热开关性能 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。 3.6 恒温特性(可控热管) 普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管——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。 3.7 环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。 4 热管的分类 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下几种。 (1)按照热管管内工作温度可分为：低温热管(-273～0℃)、常温热管(0～250℃)、中温热管(250～450℃)、高温热管(450～1000℃)等。 (2)按照工作液体回流动力可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等等。 (3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习惯的划分方法)可分为：铜—水热管、碳钢—水热管、铜钢复合—水热管、铝—丙酮热管、碳钢—萘热管、不锈钢—钠热管等等。 (4)按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管等。 (5)按热管的功用划分可分为：传输热量的热管、热二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等等。 5 热管的相容性及寿命 热管的相容性是指热管在预期的寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能、长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢－水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝性气体，工作液体热物性恶化，管壳材料的腐蚀、溶解。 (1)产生不凝性气体 由于工作液体与热管材料发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传热能力降低甚至失效。 (2)工作液体物性恶化 有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与热管壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该类不相容现象。 (3)管壳材料的腐蚀、溶解 工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。 6 热管制造 热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对这些零部件有不同的要求。 6.1管壳 热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢等。管子可以是圆形，也可以是异型的，如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几毫米到l00m以上。低温热管换热器的管材在国外大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主要是为了满足与工作液体相容性的要求。 6.2 端盖 热管的端盖具有多种结构形式，它与热管连接方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊部分，不必再填焊条，焊口光滑平整、质量容易保证。 旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型美观，强度好、省材省工，是一种良好的端盖形式。 6.3 吸液芯结构 吸液芯是热管的一个重要组成部分。吸液芯的结构形式将直接影响到热管和热管换热器的性能。近年来随着热管技术的发展，各国研究者在吸液芯结构和理论研究方面做了大量工作，下面对一些典型的结构作出简赂的介绍。 一个性能优良的管芯应具有： (1)足够大的毛细抽吸压力，或较小的管芯有效孔径； (2)较小的液体流动阻力，即有较高的渗透率； (3)良好的传热特性，即有小的径向热阻； (4)良好的工艺重复性及可靠性，制造简单，价格便宜。 6.4 管芯的构造型式 管芯的构造型式大致可分为以下几类： (1)紧贴管壁的单层及多层网芯 此类管芯多层网的网层之间应尽量紧贴，网与管壁之间亦应贴合良好，网层数有l至4层或更多，各层网的目数可相同或不同。若网层多，则液体流通截面大，阻力小，但径向热阻大；用细网时毛细抽吸力大但流动阻力亦增加。如在近壁因数层用粗孔网，表面一层用细孔网，这样可由表面细孔网提供较大的毛细抽吸压力，通道内的粗孔网使流动阻力较小，但并不能改善径向热阻大的缺点。网芯式结构的管芯可得到较高的毛细力和较高的毛细提升高度，但因渗透率较低，液体回流阻力较大，热管的轴向传热能力受到限制。此外其径向热阻较大，工艺重复性差又不能适应管道弯曲的情况，故在细长热管中逐渐由其它管芯取代。 (2)烧结粉末管芯 由一定目数的金属粉末烧结在管内壁面而形成与管壁一体的烧结粉末管芯，也有用金属丝网烧结在管内壁面上的管芯。此种管芯有较高的毛细抽吸力，并较大地改善了径向热阻，克服了网芯工艺重复性差的缺点，但因其渗透率较差，故轴向传热能力仍较轴向槽道管芯及干道式管芯的小。 (3)轴向槽道式管芯 在管壳内壁开轴向细槽以提供毛细压头及液体回流通道，槽的截面形状可为矩形、梯形、圆形及变截面槽道，槽道式管芯虽然毛细压头较小，但液体流动阻力甚小，因此可达到较高的轴向传热能力，径向热阻较小，工艺重复性良好，可获得精确的几何参数，因而可较正确地计算毛细限，此种管子弯曲后性能基本不变，但由于其抗重力工作能力极差，不适于倾斜(热端在上)工作，对于空间的零重力条件则是非常适用的，因此广泛用于空间飞行器。 (4)组合管芯 一般管芯往往不能同时兼顾毛细抽吸力及渗透率。为了有高的毛细抽吸力，就要选用更细的网或金属粉末，但它的渗透率较差，组合多层网虽然在这方面有所提高，可是其径向热阻大。组合管芯能兼顾毛细力和渗透率，从而能获得高的轴向传热能力，而且大多数管芯的径向热阻甚小。它基本上把管芯分成两部分。一部分起毛细抽吸作用，另一部分起液体回流通道作用。 7 制造工艺 如前所述，构成热管的三个主要组成部分是管壳、管芯和工质。在设计过程中，对管壳和管芯的材料进行合理的选择后就可以开始制作。通常热管的制造过程包括下面的主要工艺操作，并按一定的程序进行: 热管的机械加工及清洗→管芯制作及清洗→冷端封口→热端旋封→检漏→注入工质→封头→检漏→缩径→性能测试。 实际制造的时候工序要复杂的多。这里只是列出最简单的一些必须工序。 8 适用范围和散热功率 热管技术的应用领域很广，下面着重谈一下在电力电子领域的适用范围和散热功率。 一般来说，电力电子设备在运行过程中，电力电子模块的温升应控制在40～45℃，如果超出这个范围，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，从而导致器件的性能随结温升高而降低，甚至会造成器件直接烧毁的后果。因此不论采用何种散热方式，都有其散热功率的限制。 空气冷却或强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。目前，采用先进风扇和优化大面积热沉，空气冷却技术的冷却能力可达50w/cm2。 水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，目前可以解决几百至数千瓦的散热问题。 热管是一种传热效率极高的换热元件，它的当量热导率可达金属的103～104倍。目前已知的用于大功率电子元件散热的热管式散热器最高散热功率已达到200w/cm2。 下面是不同类型的热管散热器的适用范围和散热功率： 8.1功率模块用热管散热器 (1)适用范围 ● 通讯电源；中、小功率变频器；电力开关设备等； ● 大功率igbt模块；skiip模块；整流模块等。 (2)散热功率 ● 自然冷却式散热功率：100w～3500w； ● 强制风冷式散热功率：500w～12000w。 8.2 平板器件用热管散热器 (1)适用范围 电力变频调速装置；整流装置；无功功率补偿装置；大功率电解电镀电源。 (2)散热功率 ● 自然冷却式散热功率：100w～2000w； ● 强制风冷式散热功率：400w～9000w。 8.3 特殊隔爆用热管散热器 (1)适用范围 矿用隔爆变频器（绞车、皮带机、风机、水泵、电瓶车等）。 (2)散热功率 自然冷却式散热功率：500w～8000w。 8.4半导体制冷、发电用热管散热器 散热功率：强制风冷式散热功率：120w～1200w。 8.5大功率led器件用热管散热器 散热功率：强制风冷式散热功率：60w～1000w。 9 应用与发展 热管又名热导管或超导管。是美国通用发电机工程师gaugler 早在1942年就提出的理论，并且在1944年取得了专利。但是直到1963年，科学家george m.grover第一个发明并且成功地制造出了热管，热管才普遍地受到人们的重视，逐渐成为一种提高传热效率的元件。 在上个世纪70年代后，热管才由理论阶段进入应用阶段，但由于技术的不成熟以及高昂的成本，当时使用范围仅仅限制在航天、核电等高端技术领域。当时在太空中运行的航天器由于其面向太阳和背向太阳的部件温差太大，导致其无法正常工作且容易损坏，利用热管技术使其达到热平衡良好地解决了这个问题。 进入80年代后，随着技术的不断完善，以及成本的降低，热管技术开始广泛的进入大专院校、科研院所、民用工业、大型工业设备以及生产上。 在大专院校、科研院所的电力电子产品和技术的研发过程中，散热设计是其要解决的核心技术之一，采用热管散热技术既可避免风冷散热的降温效果有限，噪音大，风扇使用寿命短的缺点。又可避免水冷散热体积大、安装和维护不方便，容易滴漏、安全性不高，价格相对较高的缺点。 可以大大缩短产品研发周期、节约设备投资、降低研发经费，提高产品的性能和科技含量。 又如在高原地带铺设石油管道或铁路，使用热管可以防止冻土层被破坏。利用热管组成换热器来回收工业生产中的废热可节约大量的能源。 在电力电子行业，因为热管自冷散热系统无需风扇、没有噪音、免维修、安全可靠、使用寿命长，热管风冷甚至自冷可以取代水冷系统，节约水资源和相关的辅助设备投资。此外，热管散热还能将发热件集中，甚至密封，而将散热部分移到外部或远处，能防尘、防潮、防爆，提高电器设备的安全可靠性和应用范围。因而广泛应用在工业变流技术、软启动技术、变频调速技术、无功补偿技术等电力半导体分立器件、模块和组件等电力电子设备上。可以说热管散热器的出现，是解决电力电子装置散热问题的重大突破。 以下是热管散热器在电力电子领域的应用实例： (1)1974年北京变压器厂和中国电科院力学研究所研制出500a晶闸管热管风冷散热器； (2)1978年重庆大学辛明道教授研制的500a晶闸管的热管风冷散热器，应用于重庆三江钢绳厂的热处理加热炉电源； (3)1978年brost报道了西德研制出用于电力机车的大功率半导体元件冷却的热管散热器； (4)1997年天津电气传动研究所研制成采用3英寸晶闸管热管散热器的大功率电源； (5)2000年北京先行新机电技术有限责任公司研制出利用热管散热器给变频器的功率单元散热的hvf2000型1000kw、10kv高压变频器； (6)2008年荣信电力电子股份有限公司研制的1600a晶闸管热管自冷散热器应用在福建德胜镍业有限公司1150热轧svc上并成功投运； (7)2008年荣信电力电子股份有限公司研制的功率单元采用热管散热器，整机功率900kw、电压等级6kv，rrf-d90a型高压变频器，成功运行在吉林通化八宝煤矿皮带机上。其散热功率达4000w。 图2～图4为荣信股份研发的svc晶闸管、大功率模块用热管散热器。 图2 svc热管散热器自冷阀组 图3 svc晶闸管热管散热器 图4 高压变频器igbt功率单元热管散热器 目前荣信股份的产品如高压动态无功补偿装置-svc、高压大功率静止无功发生器-svg、高压大功率变频调速装置-hvc、高压有级变频起动装置-vfs、智能瓦斯排放装置-mabz中应用热管散热器散热的产品达90%以上，其散热功率在750w～8000w之间。 进入上个世纪90年代，随着科学技术水平的不断提高，热管研究和应用的领域也在不断拓宽，热管开始朝着微型化、高效化发展。随着微型热管技术的出现，使得热管在医疗手术、电子装置芯片、笔记本电脑cpu的冷却、电路控制板的冷却、太阳能热水器、太阳能电站、核电工程中的应用得到了极大的发展。 进入21世纪，随着社会信息化程度的不断提高，it产品得到迅速发展和快速普及，it产品都在朝着高集成化、高速度化、高品质化、小型化、“绿色”化的方向发展，在提高cup的同时，如何去解决散热上的高效率以及无风扇的问题，热管技术似乎给了我们一个很好的解决方案，于是它的目标又瞄准了it行业这个巨大的市场。 目前热管技术被广泛应用在宇航、军工、石油、化工、冶金、机械、电力、电子、煤炭、铁路、通讯、纺织、家电、it产品等领域。 10 结束语 本文从热管的基本原理、特性、类别、相容性、热管的制造及加工工艺和热管的应用与发展等几个方面对热管技术作一简要的阐述。热管的应用领域非常广泛，发展前景广阔。随着热管技术的不断发展，研发水平和制造工艺的不断提高，热管散热器在散热行业中会占有非常重要的地位。 作者简介 马永昌（1968-） 男 工程师，从事变频器、热管散热器的研发、制造工作。 参考文献 [1] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[m]. 北京:化学工业出版社,2004. 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