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熱管及熱管散熱器

2020-10-07

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  熱管技術是1963年美國洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)國家實驗室的喬治格羅佛(GeorgeGrover)發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件,它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質,透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。


  基本工作

  典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成,將管內抽成1.3×(10負1---10負4)Pa的負壓後充以適量的工作液體,使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體後加以密封。管的一端為蒸發段(加熱段),另一端為冷凝段(冷卻段),根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化,蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體,液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不己,熱量由熱管的一端傳至另—端。熱管在實現這一熱量轉移的過程中,包含了以下六個相互關聯的主要過程:


  (1)熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到(液---汽)分界麵;


  (2)液體在蒸發段內的(液--汽)分界麵上蒸發;


  (3)蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段;


  (4)蒸汽在冷凝段內的汽.液分界麵上凝結:


  (5)熱量從(汽--液)分界麵通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源:


  (6)在吸液芯內由於毛細作用使冷凝後的工作液體回流到蒸發段。


  基本特性


  熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的傳熱元件,具有以下基本特性。


  1、很高的導熱性


  熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱,熱阻很小,因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比,單位重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量。當然,高導熱性也是相對而言的,溫差總是存在的,不可能違反熱力學第二定律,並且熱管的傳熱能力受到各種因素的限製,存在著一些傳熱極限;熱管的軸向導熱性很強,徑向並無太大的改善(徑向熱管除外)。


  2、優良的等溫性


  熱管內腔的蒸汽是處於飽和狀態,飽和蒸汽的壓力決定於飽和溫度,飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小,根據熱力學中的方程式可知,溫降亦很小,因而熱管具有優良的等溫性。


  3、熱流密度可變性


  熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱麵積,即以較小的加熱麵積輸入熱量,而以較大的冷卻麵積輸出熱量,或者熱管可以較大的傳熱麵積輸入熱量,而以較小的冷卻麵積輸出熱量,這樣即可以改變熱流密度,解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。


  4、熱流方向酌可逆性


  一根水平放置的有芯熱管,由於其內部循環動力是毛細力,因此任意一端受熱就可作為蒸發段,而另一端向外散熱就成為冷凝段。此特點可用於宇宙飛船和人造衛星在空間的溫度展平,也可用於先放熱後吸熱的化學反應器及其他裝置。


  5、熱二極管與熱開關性能


  熱管可做成熱二極管或熱開關,所謂熱二極管就是隻允許熱流向一個方向流動,而不允許向相反的方向流動;熱開關則是當熱源溫度高於某一溫度時,熱管開始工作,當熱源溫度低於這一溫度時,熱管就不傳熱。


  6、恒溫特性(可控熱管)


  普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量的變化而變,因此當加熱量變化時,熱管備部分的溫度亦隨之變化。但人們發展了另一種熱管——可變導熱管,使得冷凝段的熱阻隨加熱量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加,這樣可使熱管在加熱量大幅度變化的情況下,蒸汽溫度變化極小,實現溫度的控製,這就是熱管的恒溫特性。


  7、環境的適應性


  熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化,熱管可做成電機的轉軸、燃氣輪機的葉片、鑽頭、手術刀等等,熱管也可做成分離式的,以適應長距離或衝熱流體不能混合的情況下的換熱;熱管既可以用於地麵(重力場),也可用於空間(無重力場)。


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