王杰，王茜，2

（1重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2美國西北大學(xué)，伊利諾伊州 埃文斯通 60208）

熱管具有極高的熱傳導(dǎo)率、優(yōu)異的均溫性能、可異形制作、運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用于能源、化工、航空航天、電子元件散熱等領(lǐng)域。Gaugler[1]于1942年提出了熱管的概念，但是直到20世紀(jì)60年代早期，Grover[2]重新獨(dú)立發(fā)明和測試了熱管，指出熱管具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何一種金屬的熱傳導(dǎo)性，使得熱管得到廣泛認(rèn)識，引發(fā)了熱管裝置的飛速發(fā)展。熱管發(fā)展初期，美國與歐洲研究主要集中于熱管在空間工程和航天中的應(yīng)用，專注于高溫?zé)峁?，并取得了大量的研究成果。Cotter[3]在1965年首次提出了較完整的熱管熱傳導(dǎo)理論，為以后熱管理論的研究奠定了基礎(chǔ)。1967年，一根用電加熱的水-不銹鋼熱管首次被送入地球衛(wèi)星軌道并成功運(yùn)行[4]。后來人們對于不同材料組合熱管進(jìn)行了長時(shí)間（9000h）的可靠性研究，得出了熱管相容性材料的選擇范圍[5]。Katzoff[6]提出了以乙醇為工作介質(zhì)玻璃為管壁的干道熱管，這種熱管從蒸發(fā)段到冷凝段的干道只有很小的液體流動(dòng)壓力損失，因此干道熱管在衛(wèi)星上得到廣泛使用。幾乎同時(shí)，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)明了一種無管芯的新型熱管——旋轉(zhuǎn)熱管[7]。這些發(fā)明和應(yīng)用在熱管的發(fā)展史上具有重要意義。

本文主要介紹國內(nèi)外常用熱管和典型的吸液芯結(jié)構(gòu)，闡述了熱管的工作原理，介紹了7種類型熱管并展示了它們在工業(yè)中的應(yīng)用；通過改進(jìn)吸液芯結(jié)構(gòu)來充分發(fā)揮熱管的最大潛能是熱管強(qiáng)化傳熱的重點(diǎn)，因此對熱管核心部件吸液芯作以詳細(xì)介紹，分別列舉了熱管材料的相容性選擇與制造方法，并提出了熱管未來發(fā)展的方向。

1 熱管的工作原理

自從Gaugler[1]提出工作原理，熱管經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，衍生出了各種類型，但是從最基本的角度看，熱管仍然是一種將沸騰和冷凝有機(jī)結(jié)合的高效傳熱元件。

典型熱管是在封閉真空管內(nèi)填充工作液體，利用液體的蒸發(fā)和液化相變轉(zhuǎn)換進(jìn)行熱傳導(dǎo)，把熱能從一個(gè)不易傳熱的位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)可有效散熱位置的高效熱轉(zhuǎn)換元件。熱管的一段為蒸發(fā)段，另一段為冷凝段，可以根據(jù)需要把絕熱段布置在兩段中間，并且可以將熱管的冷凝段和蒸發(fā)段放置在任意位置。當(dāng)蒸發(fā)段受熱時(shí)，吸液芯中的工作液體吸收熱量后蒸發(fā)為氣體；蒸發(fā)段的蒸氣壓力高于在冷凝段的平衡氣體壓力，所形成的壓力差迅速推動(dòng)蒸氣向冷凝段流動(dòng)，氣體在冷凝段內(nèi)的氣液分界面上轉(zhuǎn)換成液體并釋放出大量的熱，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用重新流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不已（圖1），從而使高效熱傳導(dǎo)得以進(jìn)行。

圖1 熱管的工作原理示意圖[2]

總的來說熱管具有以下幾點(diǎn)特性。

（1）高效的導(dǎo)熱性 因?yàn)闊峁苤饕抗ぷ饕后w相變傳熱，熱阻很小，所以它的導(dǎo)熱能力可比銀、銅、鋁等金屬材料高幾個(gè)數(shù)量級。

（2）優(yōu)良的等溫性 工作狀態(tài)的熱管內(nèi)腔蒸氣處于飽和狀態(tài)，從蒸發(fā)段到冷凝段之間的蒸氣壓降很小，所以溫差也很小。

（3）熱流密度可變性 熱管依靠工作液體的相變工作，因此改變蒸發(fā)段或冷凝段的工作面積可改變熱流密度。

（4）恒溫特性 可變導(dǎo)熱管能改變熱管各段之間的熱阻，因此當(dāng)熱源溫度發(fā)生變化時(shí)，熱管整體溫度變化極小。

（5）環(huán)境的適應(yīng)性 熱管的形狀可以隨工件的不同而變化設(shè)計(jì)，熱管可做成零件的一部分、可與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸結(jié)合；熱管可用于地面工程，也可用于空間機(jī)構(gòu)；可與機(jī)械系統(tǒng)結(jié)合，也可與微電子系統(tǒng)結(jié)合。

2 熱管的類型與應(yīng)用

在熱管快速發(fā)展的這幾十年里，各種工況要求促進(jìn)了對熱管原理的深入研究和新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)，衍生出了熱虹吸管、往復(fù)熱管、脈動(dòng)熱管、回路熱管、旋轉(zhuǎn)熱管、微型熱管可變導(dǎo)熱管等不同類型的熱管。

2.1 熱虹吸管

熱虹吸管又叫重力熱管。如圖2所示，熱虹吸管內(nèi)部不需要吸液芯，依靠重力的作用使工作液體從冷凝段回流到蒸發(fā)段。由于依靠重力實(shí)現(xiàn)液體回流，因此只能把蒸發(fā)段置于最低的位置。但是由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉，熱虹吸管仍然是 目前使用最廣泛的熱管之一。

圖2 熱虹吸管示意圖

由于軸承內(nèi)部各點(diǎn)受力不均易造成局部溫度過高，產(chǎn)生的熱應(yīng)力嚴(yán)重影響軸承的可靠性。Wang等[8]和Chen等[9]提出了將重力熱管內(nèi)置于軸承中，通過熱管的高效導(dǎo)熱性，形成等溫軸承，以便提 高軸承最大承載量，減小因局部高溫引起的軸承 失效。

迄今為止，熱管的最大一項(xiàng)合同是將熱虹吸管技術(shù)運(yùn)用于橫穿阿拉斯加海峽的輸油管線的架設(shè)和運(yùn)行，即把熱管用在管線的支座上以防止凍土融化。這一計(jì)劃需要McDonnell Douglas Astronautics公司每個(gè)月加工12000根熱管，管長9～23m。同樣的技術(shù)運(yùn)用于我國青藏鐵路，如圖3所示。青藏鐵路沿線多年凍土全段長達(dá)550km，在鐵路地基旁豎立的黑色直管就是低溫、氨-碳鋼熱虹吸管，熱管的蒸發(fā)段埋藏在地底。當(dāng)路基由于鐵軌發(fā)熱而出現(xiàn)升溫時(shí)，熱管蒸發(fā)段的液態(tài)氨蒸發(fā)吸熱，從而有效地防止了由于鐵路運(yùn)行造成的凍土融化，保證了 多年凍土的強(qiáng)度和路基的可靠性[10]。

圖3 青藏鐵路清水河試驗(yàn)段熱管路基[10]

圖4 往復(fù)熱管示意圖[12]

2.2 往復(fù)熱管

Gaigalis等[11]在1978年提出了往復(fù)熱管的概念，原理示意圖如圖4。往復(fù)熱管的結(jié)構(gòu)和兩相閉式熱虹吸管幾乎相同，但是它們的吸熱散熱原理明顯不同。熱管往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的高頻率振動(dòng)是熱管內(nèi)部液體回流的動(dòng)力，由于振動(dòng)造成內(nèi)腔液體的飛濺和撞擊也能促進(jìn)熱管整體溫度的一致性。往復(fù)熱管廣泛用于凸輪平底直桿、曲柄滑塊等高頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中。

Cao等[12]提出了將往復(fù)熱管用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻的方案，旨在利用往復(fù)熱管使活塞達(dá)到整體溫度的一致性，以避免局部溫度過高引起的活塞失效，以便延長活塞的工作壽命。隨后Ling等[13]和Wang等[14]建立了往復(fù)熱管數(shù)學(xué)模型，分析了往復(fù)熱管內(nèi)液體振蕩和熱管尺寸對性能的影響。Ling等[15]分析了振蕩頻率對熱管工作性能的影響，其理論與試驗(yàn)結(jié)果證明，對于大部分往復(fù)熱管需要的工作頻率都很低，對于r=35mm的活塞，需要的工作頻率僅需5～7Hz。Wang等[16]得出了活塞內(nèi)振蕩熱管對活塞整體溫度分布的影響。

2.3 脈動(dòng)熱管

20 世紀(jì)90年代初日本的Akachi提出一種新型熱管——脈動(dòng)熱管，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[17-20]。它由金屬毛細(xì)管彎曲成蛇形結(jié)構(gòu)，彎頭一端為加熱段，另一端為冷卻段，在中間任意位置設(shè)計(jì)絕熱段，可做成開式回路或閉式回路兩種結(jié)構(gòu)。脈動(dòng)熱管內(nèi)部無需吸液芯結(jié)構(gòu)，利用蒸發(fā)段與冷凝段之間的壓差以及管中存在的壓力不平衡，使得工作液體產(chǎn)生自身震蕩，從而加快氣液交流，快速傳遞熱量。脈動(dòng)熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、傳熱性能好、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，受到各國學(xué)者的普遍關(guān)注。但實(shí)際上脈動(dòng)熱管的運(yùn)行機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，受到多方因素的影響，其內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜。因 此，人們著力于脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)，并據(jù)此進(jìn)行理論與數(shù)值分析。

圖5 閉式脈動(dòng)回路熱管示意圖[17]

目前廣泛使用的脈動(dòng)熱管散熱器有以下幾種形式：翅片式脈動(dòng)熱管、柔性連接熱管及平板式脈動(dòng)熱管等[21]。Rittidech等[22]在空氣預(yù)熱器中運(yùn)用閉式回路脈動(dòng)熱管，以減少干燥器的能耗。其實(shí)驗(yàn)采用充液率為50%，蒸發(fā)段和冷凝段分別為19cm的脈動(dòng)熱管，冷凝段空氣溫度為30℃。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱空氣端溫度從60℃升至80℃時(shí)，熱交換效率有所提高。除此以外，脈動(dòng)熱管已被成功應(yīng)用于電力設(shè)備及微電子器件的散熱[23]。

2.4 回路熱管

最初的回路熱管是前蘇聯(lián)烏拉爾科技學(xué)院（Ural Polytechnic Institute）的Gerasimov等[24]在1972年發(fā)明并申請專利，其最初設(shè)計(jì)用于空間技術(shù)。各種回路熱管的基本原理基本相同，具有受重力影響小、對方向不敏感、結(jié)構(gòu)靈活、在很小溫差下可遠(yuǎn)距離傳遞較傳統(tǒng)熱管更大的熱量的特點(diǎn)?，F(xiàn)已經(jīng)有很多文章對不同類型的回路熱管進(jìn)行了理論分析[25-27]。

圖6是簡單回路熱管的工作示意圖[28]，只需在熱管的蒸發(fā)段和補(bǔ)償室內(nèi)布置吸液芯結(jié)構(gòu)，其余部分都為光滑內(nèi)壁面?；芈窡峁苤袣怏w和液體是在分離的管道中流動(dòng)。蒸發(fā)器內(nèi)布置有孔徑細(xì)小的主毛細(xì)芯，提供回路中液體循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力。補(bǔ)償室內(nèi)布置有孔徑較大的次毛細(xì)芯，主要控制補(bǔ)償室與蒸發(fā)室間的液體流動(dòng)，用以向主毛細(xì)芯輸送工作液體。

回路熱管主要運(yùn)用于宇宙航空航天領(lǐng)域，第一次實(shí)驗(yàn)于1989年俄羅斯發(fā)射的宇宙飛船“Gorizont”上[29]（圖7）；1994年俄羅斯發(fā)射的“Obzor”衛(wèi)星第一次實(shí)際使用了回路熱管，一根丙烯回路熱管和兩 根氨回路熱管安裝在光學(xué)溫度控制系統(tǒng)中[30]。

圖6 回路熱管工作示意圖[28]

圖7 “Gorizont”飛船上回路熱管的運(yùn)用[29]

近年來，回路熱管用于電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)的散熱冷卻成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。隨著微型高功率設(shè)備的出現(xiàn)[31-32]，回路熱管開始被廣泛用于計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。如圖8所示，2001年回路熱管第一次現(xiàn)身于緊湊型散熱器運(yùn)用于大約50g重的CPU中，大約散發(fā)了25～30W的熱量。此類熱管的固有特性將使其在未來電子和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間，甚至可能取代傳統(tǒng)熱管在電子行業(yè)的作用。

2.5 旋轉(zhuǎn)熱管

1969年美國宇航局（NASA）的Gray[7]提出了一種無管芯的新型熱管——旋轉(zhuǎn)熱管。由于旋轉(zhuǎn)熱管不需要吸液芯結(jié)構(gòu)，因此得到了快速的發(fā)展。旋轉(zhuǎn)熱管的原理如圖9所示，熱管本身就是旋轉(zhuǎn)件，冷凝段的液體通過離心力的作用回到蒸發(fā)段。由于工作液體回流靠離心力和重力推動(dòng)，因此，熱量的傳遞比在普通熱管中更加高效。

圖8 CPU中LHP（回路熱管）的方案和概念圖[32]

圖9 旋轉(zhuǎn)熱管原理圖[7]

根據(jù)熱管的軸線與其旋轉(zhuǎn)軸的相對位置，可將這類熱管分為旋轉(zhuǎn)熱管和同轉(zhuǎn)熱管兩大類，熱管軸線與旋轉(zhuǎn)軸一致的稱為旋轉(zhuǎn)熱管，不一致的都稱為回轉(zhuǎn)熱管。顯然，旋轉(zhuǎn)熱管可以用于需要散熱的轉(zhuǎn)軸中。1994年，Judd等[33]將旋轉(zhuǎn)熱管用于銑床的主軸散熱，移走了200W熱量，使軸承的溫度降低了一半；并且均衡了主軸的溫度差，提高了熱穩(wěn)定性，從而減小了銑床加工中的熱變形引起的誤差，改善了銑床的加工精度。

2.6 微型熱管

應(yīng)該指出，微型熱管不是一種新類型的熱管，只是由于熱管的體積十分微小，普通的熱管理論不能被簡單地運(yùn)用于微型熱管，因此單獨(dú)分類討論。Cotter[34]于1984年在日本舉行的第五屆國際熱管會(huì)議上提出微型熱管的理論和展望，并且將之定義為水利學(xué)半徑rh大于或等于熱管中工作介質(zhì)的氣液界面的毛細(xì)半徑rc，后來Peterson[35]和Vasiliev[36]重新補(bǔ)充了微熱管的定義，見表1。

表1 微熱管的定義[36-37]

隨后日本的Itoh等[37]發(fā)明了一系列不同橫截面的微熱管設(shè)計(jì)方案，其中有通道截面非圓形并帶有尖角，如圖10所示。冷凝液主要依靠尖角處毛細(xì)作用的驅(qū)動(dòng)回流到蒸發(fā)段，可以看出，由于微熱管內(nèi)壁表面積與空腔體積的比值增大，傳統(tǒng)熱管的內(nèi)壁毛細(xì)功能被各種形狀截面轉(zhuǎn)角處的毛細(xì)作用所替代。

圖10 微熱管橫截面示意圖[37]

我國已經(jīng)進(jìn)入信息化高速發(fā)展的時(shí)代，對電子電路集成的微小型化、低功耗、高可靠性方面要求越來越高，但芯片高度集成往往引起單位面積溫度升高，后者嚴(yán)重威脅設(shè)備的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)，微電子芯片表面發(fā)熱不均勻會(huì)造成局部某些點(diǎn)處熱流強(qiáng)度高達(dá)1000 W/cm2，這被認(rèn)為是造成芯片失效乃至損壞的關(guān)鍵原因[38-39]。如圖11所示，Kang等[40]制造了徑向槽道熱管，并測試了熱傳導(dǎo)性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)充液率達(dá)到70%并保持27W時(shí)，具有放射性槽道微型熱管的晶片比純晶片的溫度低27%。近年來微型熱管作為一種重要的微型冷卻器得到了迅速發(fā)展，有關(guān)微型脈動(dòng)熱管、微型毛細(xì)泵熱管、微型回路熱管、微型槽道熱管等的理論研究、制造方法創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)對比都取得了大量的成果。

2.7 可變導(dǎo)熱管

普通熱管熱負(fù)荷或蒸發(fā)段的溫度改變都將引起熱管工作溫度的改變，但是可變導(dǎo)熱管能夠保持蒸發(fā)段或冷凝段的溫度不隨著熱負(fù)荷的增減而變化。這種熱管內(nèi)的不凝結(jié)氣體與蒸氣是相互分離的，并且不凝結(jié)氣體能夠有效地占據(jù)部分冷凝段，使該部分停止局部傳熱，因此可以利用不凝結(jié)氣體所占據(jù)的冷凝段長度來調(diào)節(jié)熱管的傳熱量。1975年，可變導(dǎo)熱管第一次被運(yùn)用于美國衛(wèi)星中[41]。

圖11 放射性槽道微型熱管[40]

圖12 無吸液芯的貯氣室充氣熱管示意圖[42]

可變導(dǎo)熱管可以分為無反饋控制式可變導(dǎo)熱管 和反饋控制式可變導(dǎo)熱管[42]。圖12所示為無反饋控制式可變導(dǎo)熱管，在可變導(dǎo)熱管的貯氣室內(nèi)充入不凝結(jié)氣體，當(dāng)蒸氣壓力變化時(shí)，不凝結(jié)氣體的壓力與蒸氣壓力相平衡，從而調(diào)節(jié)冷凝段的實(shí)際工作長度（或面積），使得熱管保持恒溫。由于不凝結(jié)氣體與蒸氣在冷凝段末端的相互擴(kuò)散引起的滯后可能影響控制精度，人們往往采用機(jī)械式、氣壓式或電動(dòng)式等反饋方式來控制的可變導(dǎo)熱管?？勺儗?dǎo)熱管測量溫度的變化時(shí)能達(dá)到±0.5mK的精度，這是其他測量溫度控制系統(tǒng)很難達(dá)到的精度[43]。可變導(dǎo)熱管的溫度測量特性使之在長期測控鈉硫電池高溫的裝置中得以應(yīng)用，用以提高鈉硫電池的載荷水平，減少電力損耗[44]。

3 吸液芯類型及其結(jié)構(gòu)

吸液芯結(jié)構(gòu)是熱管的核心部件，吸液芯的性能決定熱管的整體性能。毛細(xì)極限決定的最大熱通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素引起的變化。因此，一根高性能的吸液芯應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：①良好的傳導(dǎo)性（意味著較小的徑向阻抗）；②高滲透性（具有較小液體流動(dòng)壓力）；③高毛細(xì)能力（能夠提供更大的工作液體回流壓力）。

3.1 單一結(jié)構(gòu)吸液芯

單一結(jié)構(gòu)毛細(xì)吸液芯由于制造簡單、造價(jià)便宜，廣泛用于各種類型熱管中。

（1）網(wǎng)狀吸液芯 采用各種金屬絲編織的網(wǎng)狀或斜紋織品作為吸液芯結(jié)構(gòu)。卷制絲網(wǎng)吸液芯具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是存在液體流動(dòng)阻力受絲網(wǎng)卷制的松緊度影響，網(wǎng)層間及絲網(wǎng)與管壁之間有間隙而導(dǎo)致熱阻較大的缺點(diǎn)。Kempers等[45]通過實(shí)驗(yàn)研究了金屬絲網(wǎng)的層數(shù)和工作液體的含量對具有金屬絲網(wǎng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的銅-水熱管性能的影響。對于層數(shù)較少的網(wǎng)狀吸液芯熱管來說，其熱阻隨著熱通量的增加而明顯非線性減小，最終接近于一個(gè)常數(shù)。充液率的高低并不是非線性產(chǎn)生的原因，但是熱管的熱阻隨著充液率增加而 變大。

（2）干道管芯 干道毛細(xì)結(jié)構(gòu)用單獨(dú)的工作液體流動(dòng)通道來減少黏性損失。過去不少干道熱管相繼設(shè)計(jì)出來，但是很多經(jīng)過地面和航天測試發(fā)現(xiàn)它們很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這是因?yàn)楦傻缹馀莼蚍抢淠龤怏w進(jìn)入引起的堵塞十分敏感。圖13中列舉了幾種不同的干道吸液芯。

干道管芯最廣泛的設(shè)計(jì)是當(dāng)時(shí)Orbital Astronomical Observatory宇航局發(fā)表的單干道結(jié) 構(gòu)和螺旋干道結(jié)構(gòu)[46]，另外一種重要設(shè)計(jì)是用 于冷卻通訊技術(shù)衛(wèi)星上電子管放大器的雙干道熱管[47]。

（3）燒結(jié)吸液芯 燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)通常是將金屬粉末通過加溫直接燒結(jié)在管壁上，形成不易脫落的毛細(xì)結(jié)構(gòu)（圖14）。由于金屬粉末不緊密，燒結(jié)過程中空氣膨脹使得成型結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的滲透性。

（4）槽道吸液芯 溝槽吸液芯是在熱管內(nèi)壁加工各種形狀的溝槽，利用槽道界面張力的作用可使液相工作介質(zhì)回流從而實(shí)現(xiàn)吸液芯的功能。槽道熱管的特點(diǎn)是：徑向熱阻小，壁面與吸液芯結(jié)構(gòu)之間的熱阻較小，二次加工性能好，在彎曲、壓扁等加工過程中不會(huì)出現(xiàn)吸液芯結(jié)構(gòu)與壁面剝離甚至脫落 現(xiàn)象，從而保持良好傳熱性能。

圖13 不同的干道熱管設(shè)計(jì)[46-47]

圖14 燒結(jié)吸液芯

圖15 Ω形槽道示意圖

圖15所示為Ω形槽道吸液芯橫截面圖，其他槽道形狀亦可起到同樣作用。常見形狀可以為三角形、梯形、矩形、S形、Ω形和燕尾形等，用以滿足各種不同的結(jié)構(gòu)和散熱需求。

3.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)吸液芯

滲透性和毛細(xì)作用的相互矛盾難以保證熱管同時(shí)具有良好的滲透性和足夠的毛細(xì)壓力，孔徑越大越有利于液體流動(dòng)，從而滿足吸液芯高滲透性的要求；而毛細(xì)壓力的增大需要足夠小的孔徑。人們只能盡量在滲透性與毛細(xì)壓力之間作出平衡，所以采用復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)更容易滿足較高的工況需求。復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)是將兩種或兩種以上的單一吸液芯結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，并充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)。

（1）絲網(wǎng)干道與微溝槽復(fù)合吸液芯 圖16為俄羅斯Kaya[48]設(shè)計(jì)的一種采用微溝槽與金屬絲網(wǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)單一干道熱管。Kaya探討了在單一干道熱管中蒸發(fā)段氣泡的產(chǎn)生與冷凝段氣泡的破滅對熱管性能的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱管干道中具有排氣孔時(shí)，干道熱管能更快地啟動(dòng)。

圖16 干道熱管橫截面圖[48]

（2）槽道與燒結(jié)粉末復(fù)合吸液芯 槽道與燒結(jié)粉末復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)是將燒結(jié)技術(shù)與槽道技術(shù)結(jié)合起來，充分利用燒結(jié)結(jié)構(gòu)能提供足夠毛細(xì)力和槽道有利于液體的回流的邏輯結(jié)合。如圖17所示，Li等[49]建立了槽道與燒結(jié)銅粉復(fù)合結(jié)構(gòu)吸液芯數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)熱管從啟動(dòng)到平衡狀態(tài)所需時(shí)間隨著熱輸入量的增大而增加。Tang等[50]進(jìn)行了燒結(jié)銅粉槽道復(fù)合毛細(xì)結(jié)構(gòu)與均勻多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)的熱傳遞性能的對比，分析了槽道寬度、深度對熱管傳熱性能的影響，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)槽道深度為0.85mm、寬度為0.45mm時(shí)，復(fù)合吸液芯能夠得到最大的毛細(xì)力。

圖17 槽道與燒結(jié)復(fù)合吸液芯[49]

（3）多孔隙復(fù)合吸液芯 多孔隙復(fù)合吸液芯在毛細(xì)結(jié)構(gòu)中有多種大小不同的孔洞，大孔洞能減小流動(dòng)阻力有效幫助液體的回流，小孔洞能提供大的毛細(xì)力為液體回流提供壓力。

多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)可以采用組合絲網(wǎng)芯結(jié)構(gòu)：①在接近管壁的內(nèi)層使用大孔眼網(wǎng)，在大孔網(wǎng)眼的外面再用小孔眼網(wǎng)覆蓋；②采用大孔眼網(wǎng)和小孔眼網(wǎng)交替層疊而成的吸液芯。除此之外，還有如圖18所示Semenic等[51]提出的雙孔隙毛細(xì)結(jié)構(gòu)。由小微粒構(gòu)成的簇群提供液體從冷凝段到蒸發(fā)段所需的毛細(xì)壓力，而族群之間的縫隙為液體的流動(dòng)提供通道。實(shí)驗(yàn)表明這種吸液芯能夠比單一均勻孔徑吸液芯提供更大的熱通量。

圖18 586/74（簇群尺寸586μm和顆粒尺寸74μm）雙空隙吸液芯結(jié)構(gòu)電子掃描（SEM）照片（50倍）[51]

圖19 多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)孔隙大小的分布圖[52]

由于制造方法的不同，人們將整合的多孔粒子結(jié)構(gòu)定義為雙分散毛細(xì)結(jié)構(gòu)，如圖19所示。Yeh等[52]對采用多孔吸液芯的回路熱管中熱傳遞作了分析，指出燒結(jié)溫度對性能的提高沒有明顯的影響，而認(rèn)為主要影響因素是顆粒的大小和孔隙模型的容量。雙分散毛細(xì)結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)是顆粒直徑為20～32μm和空隙模型容量為25%。除此之外，優(yōu)良的雙分散毛細(xì)結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)段熱通量能夠達(dá)到64000W/(m2·K)，這幾乎是單一空隙結(jié)構(gòu)的6倍。

4 熱管材料及其性能

熱管管殼、吸液芯和工作液體是熱管的3個(gè)基本組成部分。熱管的設(shè)計(jì)必須考慮相容性與熱管壽命，并依此進(jìn)行材料的選擇。在20世紀(jì)60～70年代熱管高速發(fā)展期間，人們進(jìn)行了大量熱管相容性和壽命試驗(yàn)，所得出的數(shù)據(jù)至今仍在使用。

4.1 工作液體

熱管的工作溫度范圍決定了工作液體的選擇范圍，表2列舉了大部分常見的熱管工作液體工作溫度。在大致相同的溫度范圍內(nèi)，一般有幾種工作液體可供選擇。確定所需采用的最佳工作液體必須考慮如下各種特性及主要要求：①工作液體與管芯與管殼材料的良好相容性；②較高熱穩(wěn)定性；③工作液體能有效潤濕管芯和管殼材料；④較高汽化潛 熱；⑤較高導(dǎo)熱率；⑥較大表面張力。

表2 常見熱管工作液體[53]

在設(shè)計(jì)熱管時(shí)，為使工作腔能夠克服重力運(yùn)行，并產(chǎn)生較大的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，往往希望工作液體表面張力大些。此外，還需要工作液體能夠潤濕管芯和管殼材料，即液珠接觸角必須為零，或者非常小。希望工作液體的汽化潛熱大，以便用最少量的液流來傳遞盡量大的熱量，從而保持管內(nèi)的壓降小。為了減少徑向溫度梯度，工作液體的導(dǎo)熱率以大為好。

IKE，Stuttgart（原子能源研究所，斯圖加特大學(xué)，德國）[54-55]做過較為全面的使用有機(jī)物當(dāng)作工作液體的相容性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明溫度超過300℃后有機(jī)物不適合作為工作液體，因?yàn)樗鼈冊诖藴囟认麻L時(shí)間的使用過程中不能保持化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.2 吸液芯

吸液芯是影響熱管性能的決定性因素，因此選擇合適的吸液芯是最復(fù)雜的問題。人們往往希望吸液芯的滲透率K要大，以減小回流液體的壓力損失；導(dǎo)熱熱阻要小，以減少徑向?qū)嶙枇?；并且還應(yīng)具有非常小的有效毛細(xì)孔半徑rc，以提供最大傳熱率。要使同一種結(jié)構(gòu)的吸液芯能滿足上述全部要求相當(dāng)困難，因此，如前所述，復(fù)合吸液芯應(yīng)運(yùn)而生。表3列出了多種不同管芯與工作液體組合的蒸發(fā)段熱通量測量值，設(shè)計(jì)選擇吸液芯的結(jié)構(gòu)時(shí)，可參照表中的值選擇合適的吸液芯結(jié)構(gòu)，以盡量滿足傳熱要求和多方面的考慮。

表3 熱管蒸發(fā)段熱通量的測量值（不一定是極限值）

表4 中等溫度工作液體的相容性資料[5]

4.3 相容性

固液不相容會(huì)引起熱管材料的腐蝕并產(chǎn)生不凝結(jié)氣體。溶解的固體材料會(huì)導(dǎo)致管芯毛細(xì)孔堵塞，所產(chǎn)生的不凝結(jié)氣體趨向于聚集到冷凝段，使冷凝段逐漸被氣體堵塞。

從公開發(fā)表的文獻(xiàn)中可看出，很多實(shí)驗(yàn)室都進(jìn)行過熱管相容性和壽命試驗(yàn)。這些工作得出了大量資料。Basiulis等[5]對中等溫度范圍內(nèi)的材料組合作過綜合性的評述，歸納如表4。

5 熱管制造

低溫?zé)峁艿闹谱鞯墓ば蜉^為簡單，費(fèi)用較低。對于所有的熱管，最重要的是熱管必須防漏。保證不發(fā)生相容性問題以及確保吸液芯和管殼能被工作液體潤濕的關(guān)鍵一步是對管壁進(jìn)行認(rèn)真清洗。組裝過程中的任何疏忽不僅影響熱管的壽命，而且會(huì)降低熱管的性能。

5.1 熱管管殼

熱管的管殼大多為金屬無縫管材，根據(jù)不同需要可以采用不同的材料，如銅、不銹鋼、合金鋼、鋁、碳鋼等。管子可以是標(biāo)準(zhǔn)圓形，也可以是異形的，如橢圓形、矩形、波紋管、扁平管。

5.2 熱管管芯的加工

（1）網(wǎng)狀吸液芯 絲網(wǎng)吸液芯結(jié)構(gòu)是最普通的吸液芯結(jié)構(gòu)，不銹鋼絲、合金絲及銅絲均可織成網(wǎng)孔極細(xì)的絲網(wǎng)。絲網(wǎng)可以用擴(kuò)散焊接到熱管管殼上，得到耐久的吸液芯結(jié)構(gòu)。當(dāng)管徑足夠大時(shí)，也可以采用點(diǎn)焊使其緊貼到管壁上，也可以利用蛇形彈簧將絲網(wǎng)固定到管殼上。不論管芯的形式如何，重要的是使其與管殼緊密接觸。

（2）燒結(jié)吸液芯 燒結(jié)吸液芯是在內(nèi)管壁上燒結(jié)一層金屬粉末，金屬粉末顆粒的大小決定管芯毛細(xì)孔的尺寸。通常燒結(jié)溫度要比燒結(jié)材料的熔點(diǎn)低100～200℃。微型熱管吸液芯的燒結(jié)成型原理如圖20所示，在紫銅管一端放入大堵頭和不銹鋼芯棒后，在另一端灌注紫銅粉，然后放入小堵頭，接著放在燒結(jié)支架上，一起放入具有惰性氣體保護(hù)的燒結(jié)爐中，在一定的溫度與時(shí)間下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)完后，采用專用工具把芯棒與兩個(gè)堵頭取出。這樣具有一定空隙率的吸液芯就可以作為微熱管的液體回流通道，而芯棒所形成的孔道就可以作為微熱管的蒸氣通道[63]。除此之外，還可以用燒結(jié)混合粉末的方法，將金屬粉末與揮發(fā)性粉末（如K2CO3）混合燒結(jié)，利用后者在高溫下蒸發(fā)來提高孔隙率。蒸氣涂覆發(fā)、火焰噴鍍、汽化噴鍍等方法也常見于燒結(jié)吸液芯的工藝中。

圖20 微型熱管吸液芯的燒結(jié)成型原理[62]

（3）微溝槽吸液芯 溝槽吸液芯廣泛適用于空間飛行器中，因?yàn)樵谥亓Νh(huán)境中它不能提供較大的毛細(xì)壓力。在管壁上開縱向槽道的最簡單方法是擠壓和拉制。這些溝槽還可以采用高速充液旋壓加工的方法來加工。

5.3 管殼和管芯的清洗

熱管內(nèi)所用的全部材料必須清洗干凈。清洗要達(dá)到兩個(gè)目的：一是保證工作液體能夠潤濕材料；二是保證不出現(xiàn)妨礙毛細(xì)作用或引起不相容問題的外來物。清洗的方法取決于熱管所用的材料、管芯的加工和安裝過程以及工作液體的要求。

5.4 檢查泄露

熱管的全部焊縫都應(yīng)該進(jìn)行檢查泄露。微量泄露不影響熱管的初期性能，但是經(jīng)過一段時(shí)間的使用會(huì)使問題暴露。因此，高加工質(zhì)量包括精確的泄露排除。檢查泄露時(shí)必須保持熱管干燥，因?yàn)檩p微縫隙會(huì)被由吸氣帶進(jìn)的水蒸氣的冷凝堵住，造成無泄漏的假象。

5.5 充裝與密封

完整的熱管充液過程包括工作液體預(yù)處理、熱管除氣、充入規(guī)定數(shù)量的液體。除非是研究用的熱管或者作為壽命試驗(yàn)的熱管可以在一端保留閥門外，其他熱管的充裝管必須永久封死。真空封口技術(shù)要求在保證高溫真空狀態(tài)下切斷充液管，永久性封死管口，封口過程不允許有任何氣體進(jìn)入管內(nèi)，并要求管腔能承受一定的壓力。

5.6 基于3D打印的熱管制造

目前的熱管制造方法大多采用傳統(tǒng)機(jī)械加工的方法。管體與管芯分開加工，即先加工管體，再加工管芯。此方法工藝復(fù)雜，耗時(shí)長，并且很難加工一些形狀復(fù)雜的熱管。因此現(xiàn)在多數(shù)熱管都是直線型；少數(shù)非直線型熱管多是采用先加工直線型熱管，再將熱管進(jìn)行捶打或機(jī)械彎曲得到非直線型熱管。通過這些方法得到的彎曲熱管的內(nèi)部吸液芯結(jié)構(gòu)或多或少遭到了破壞，其最大傳熱量可能被降低50%或更多，熱管的整體性能受到嚴(yán)重影響。因此，目前現(xiàn)有的熱管難以滿足微電子元件的復(fù)雜環(huán)境與復(fù)雜結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有制造技術(shù)對熱管內(nèi)部吸液芯結(jié)構(gòu)的限制也制約了熱管的熱通量。

三維打印技術(shù)有望成為熱管制造的新方法，即通過計(jì)算機(jī)建立具有吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管管體模型，利用三維打印機(jī)打印出熱管管體。此方法特別適合非直線型熱管以及具有內(nèi)部復(fù)雜吸液芯結(jié)構(gòu)熱管的制造，特別方便把熱管管體與被散熱體結(jié)合為一體而形成多功能零部件，具有一次成型、簡單快速、投入成本低、耗材少等特點(diǎn)。三維打印技術(shù)的飛速發(fā)展為熱管設(shè)計(jì)的發(fā)展帶來新局面，同時(shí)有望將傳熱學(xué)與現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)結(jié)合，為吸液芯結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新提供新的空間。利用三維打印技術(shù)制造熱管引發(fā)的創(chuàng)新將進(jìn)一步促進(jìn)熱管科學(xué)的研究，同時(shí)為熱管的應(yīng)用開拓更為廣闊的市場。

6 結(jié)語與展望

熱管是在密閉空間中利用氣液兩相變換傳熱的高效熱傳導(dǎo)元件。不同的工況要求和散熱環(huán)境推動(dòng)了不同類型的熱管的研究和設(shè)計(jì)，造就了豐富的熱管家族。

（1）吸液芯結(jié)構(gòu)是熱管的心臟，合理的選用吸液芯類型對熱管性能有至關(guān)重要的影響。

（2）熱管材料的選擇與工作環(huán)境密切相關(guān)，合理選擇材料能有效提高熱管壽命，充分發(fā)揮其散熱作用。

（3）根據(jù)工作溫度合理選擇工作液體，是保證熱管相容性、長壽命、高效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（4）微型電子器件的高速發(fā)展對高熱流密度散熱的要求不斷增加，對散熱性能的要求也越來越高。熱管作為高效的熱傳導(dǎo)元件在微電子散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。

（5）三維打印技術(shù)將會(huì)成為一種全新的使管體和吸液芯結(jié)構(gòu)一次成型、集成熱管管體與被散熱體為一體的全新熱管加工方法?？萍嫉娘w速發(fā)展對熱管的性能要求會(huì)愈來愈高，基于三維打印的熱管制造方法有望進(jìn)一步促進(jìn)熱管的發(fā)展，并使之在眾多領(lǐng)域有更加廣泛的應(yīng)用。

符 號 說 明

a——橫截面寬度

b——橫截面長度

dv——?dú)馀萃ǖ澜孛娴妮^小直徑值lc——液體毛細(xì)常數(shù)

r——當(dāng)量半徑

α——錐角的一半

δ——微熱管壁厚

ω——熱管旋轉(zhuǎn)角速度

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