Heat Pipe and Thermal Management

1. Heat Pipe andThermal Management Wang Wen

2. 发展历史 • 热管原理是（The General Motors Corp., Ohio, U.S.A）的R. S. Gaugler于1944年在专利（No.2350348）提出。 • 1973年在德国斯图加特（Stuttgart）1st国际热管会议，1976年在意大利的伯伦亚（Bologna）2nd国际热管会议，1978年在美国加尼福利亚州（Palo Alto）3rd Int. Conf.，此后1981年在英国伦敦（London），1984年在日本筑波（Tuskuba），1987年在法国格林贝尔（Grenoble），1990年在前苏联明斯克（Minsk），1992年在中国北京，1995年在美国新墨西哥州（Albuquerque），1997年在德国斯图加特（Stuttgart），1999年在日本东京（Tokyo）,2001年在俄罗斯分别召开了第四到十二届国际热管会议。2004年在上海13th • 我国自70年代开始研究、推广应用: 航天、化工、工业余热、电子器件散热；航天部研究所、船舶重工、南京化工大学、重庆大学、浙江大学、东北工学院

3. 热管的分类 • 按照热管管内工作温度区分 热管可分为低温热管（－273～0 oC）、常温热管（0～250 oC）、中温热管（250～450 oC）、高温热管（450～1000 oC）等。 • 按照工作流体回流动力区分 热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（有称重力热管）、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。 • 按照管壳与工作液体的结合方式划分（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。 • 按照结构形式区分 可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路热管、碳钢－萘热管、不锈钢－钠热管等等。 • 按照热管的功用划分 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。

4. 工作原理 • （1）热量从热源通过热管壁面和充满工作液体的吸液芯传递到汽－液分界面； • （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）蒸发在冷凝段内的汽－液分界面上凝结； • （5）热量从汽－液分界面通过吸液芯、液体和壁面传给冷源； • （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。

5. 热管的基本特性 • 良好的导热性 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。 • 优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力取决于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，由热力学Clausuis－Clapeyron方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。 • 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面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

6. 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以作为蒸发段，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他装置。 • 热二极管与热开关性能 热管可作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，而低于这一温度时，热管就不传热。 • 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。但人们发展了另一种热管――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，这样可是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。 • 适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可作成电机转轴、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冷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）。

7. 热管传热极限

8. （1）连续流动极限 对小热管，如微型热管，以及工作室温很低的热管，热管内部的蒸汽流动可能处于自由分子状态或稀薄、真空状态。在这种情况下，由于不能获得连续的蒸汽流，传热能力将受到限制； （2）冷冻启动极限 在从冷冻状态启动过程中，蒸发段来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发段来得工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动； （3）粘性极限 当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零，如液态金属热管，在这种条件下，热管传热将受到限制。热管的工作温度低于正常温度范围时将遇到这种极限，它又被成为蒸汽压力极限； （4）声速极限 热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口温度可能达到声速或超声速，而出现阻塞现象，这时的最大传热量被称为声速限； （5）携带极限 当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，限制了传热能力； （6）毛细极限 热管中工作介质的循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压力维持，由于毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的，这将使热管的最大传热量受到限制，这种限制通常称为毛细极限或流体动力极限； （7）冷凝极限 热管最大传热能力可使受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在将降低冷凝段的冷却效率； （8）沸腾极限 如果径向热流或管壁温度变得非常高，吸液芯中工质的沸腾可能阻碍工作液体的循环而导致沸腾极限。

9. 热管技术的应用 • 工业过程余热回收 • 余热锅炉 • 电子器件散热的导热载体 • 均匀温度场 • 。。。。。。

12. GLAS Laser Thermal Control System High Power Laser Radiator • Each laser ~120W • Critical design issues: • control, 17 0C @ +/- < 0.2 0C • Optical alignment • Freeze protection • Use of LHPs allowed a smaller S/C bus with less resources Loop Heat Pipe

13. 液体补偿器 蒸发器 蒸汽管路 液体回流管路 冷凝器

15. Vapor Chamber Solution

16. 热管在寒冷地区用于 保持路面稳定

17. Thermal management • Object : component, person, environment • Principle: conduction, convective, radiation • Parameter: T, P, humidity; properties from related materials; surface character and environment

18. Temperature Control Increase, Decrease and T difference • Heat source and sink Environment, elements and designed specially • Requirement and situation Thermal balance, FEA, Ideas and Design