详解热管工作原理及其分类特性

热管是一种新型的高效传热器件。具有导热性能高、结构简单、工作可靠、温度均匀与等温性等特点。可广泛用于电子设备、高密度组装器件、高功率密度元器件的传热和热控制等。

热管工作原理

图1所示是一种典型的热管原理图，它是一个被抽成真空的容器（圆形管子或其他形状）。热管一般划分为三部分：即蒸发段、绝热段和冷凝段。在容器的内壁上设有与内壁形状相一致的毛细管心，液相工质充满整个管心。当工质在蒸发段受热后开始蒸发，蒸汽带着汽化潜热被输送到另一端冷凝，并放出汽化潜热，然后靠毛细泵力的作用使冷凝液返回到蒸发段完成一个循环。利用这种方法，把热能高效率地从一端传至另一端。

图1

热管的工作原理：在热管未工作前，工质的液面与管心平齐。当发热元件与蒸发段接触后，便将热量传给管壁、管心和工质；工质受热后吸收汽化潜热变为蒸汽，蒸发段的蒸汽压力高于冷凝段，因此两端形成压力差，该压差驱动蒸汽从蒸发段到冷凝段。蒸汽在冷凝段冷凝时放出汽化潜热，通过管心、管壁传到热管的散热器。由于蒸发的原因，在蒸发段的工质液面进入管心的毛细孔内形成弯月面，在这里形成毛细泵力，将冷凝液抽回到蒸发段，完成一个工作循环。只要工质的流动不中断和保证足够的毛细泵力，热管可长期地工作。

热管的特性

由于热管是高效的传热器件，它具有以下一些特性。

（1）传热能力强由于热管的传热主要依靠工作液（含液态金属）的相变吸收和释放大量的汽化潜热和高速蒸汽流动的传热。而用于热管的多数工作液体（或液体金属）的汽化潜热都很大，故不需要很多的蒸汽量就能带走大量的热量。
（2）等温性好热管表面温度分布取决于蒸汽的温度分布、相变时的温差以及管壁与毛细心温差等。蒸汽处于饱和状态时，蒸汽流动和相变时的温差很小，而管壁和毛细心均较薄，因此，热管的表面温度梯度很小，当热流密度很低时，可达到很高的等温表面。热管的当量导热系数越大，其等温性就越好。其当量导热系数可以是相同材料的几十倍，甚至几百倍。
（3）具有热流密度可变换的能力由于热管中蒸发和冷凝的空间是分开的，因此可以实现热流密度的变换，在蒸发段可用高热流密度输入，而在冷凝段可以用低热流密度输出，反之也可以。这种变换比例可以在较大的范围内进行控制。
（4）具有恒温特性当热管内充以一定比例的惰性气体时，可以通过改变冷凝段的散热面积来适应传热量的变化，达到使蒸发段热源温度恒定在某一特定温度的恒温目的。
（5）具有热二极管和热开关的特性