三、热管的结构与材料

热管由管壳、管心（毛细结构）和工作液（工作介质）三部分组成。三者所选用的材料，除保证达到预定的热管传热性能外，还应保证工作过程中的相容性。

1 管壳管壳的作用是把工作液与外界隔开，向工作液传热以及把工作液的热量传出来。因此，管壳要防漏、耐压、传热性能好。对它的要求是：① 在蒸发段和冷凝段有高的热传导率；② 与工作液及环境的相容性；③ 有足够的强度和刚度，在工作温度范围内，能承受工作液的蒸汽压力；④ 用于带电，尤其是带高压电的发热元件的传热时，应选用电绝缘材料（如玻璃、陶瓷等）。管壳的材料有铜（无氧铜）、不锈钢、铝、镍、钨及非金属材料玻璃、陶瓷等。

2 管心管心的主要作用是产生毛细压差（抽吸力），把工作液从冷凝段输送到蒸发段。此外，还用于把工作液分布到蒸发段上可能吸热的任何范围内。管热产生的最大毛细压差随毛细孔的减小而增加，但其渗透率则随毛细孔的增大而增加。因此，均匀管心的最佳毛细孔尺寸是两者折中的结果。对水平放置和重力助推式热管可采用低性能管心，它有较大的毛细孔，如100目或150目多孔心子。在需要克服重力的场合下，需要小毛细孔。空间应用管心，要求传热能力高，可采用非均匀管心或干道管心。对管心结构的要求：① 有大的毛细压差；② 保证工作液流动阻力小；③ 厚度要适当，在减小径向热阻的前提下，增加其厚度可以提高传热能力；④ 与工作液的相容性和湿润性。为了满足这些要求，已研制成了许多管心结构，图4所示为其中的一部分管心结构。管心可分为单一和复合式的均匀管心、槽道管心、干道管心等。均匀管心有丝网状、泡沫状、毡状纤维状和烧结状等。单一管心用同一种材料制成，复合管心是由两种或多种材料组成的。

图4

图4（a）所示为用小孔丝网卷成的管心，它可获得大的毛细泵力，但工质的回流阻力大；

图4（b）所示为卷成多边形的管心，虽比圆形管心的流动阻力小，但径向导热性差，温降大。复合管心的合理设计能弥补单一管心的不足之处。

图4（e）为用粗、细不同的毛细孔丝网卷成的复合管心。其中粗孔丝网紧贴在容器的内壁，细孔丝网放在蒸汽通道一边，粗孔丝网管心提供小阻力的液通道，细孔丝网可获得较大的毛细压差。

图4（g）为在窄槽管心的槽顶圆周上，再覆盖一层细孔网卷成的管心，组成复合管心，也能获得好的效果。

3 工作液应根据热管的工作性质，特别是工作温度的高低来选择工作液。对工作液的要求是；① 与管壳及管心的相容性。② 热稳定性要好；③ 汽化热大；④ 导热系数高；⑤ 大的表面张力；⑥ 液相和汽相的密度低；⑦ 与管壳和管心材料的湿润性好；⑧ 适当的蒸汽压力；⑨ 合适的冰点和凝固点；⑩ 其他特殊要求，如电绝缘性能等。常用的工作液见表1。

表1

四、热管传热性能

1．热管传热等效热路图热管传热等效热路图如图5所示。图中各部分的热阻分别为：R1是热源与热管外表面之间热阻（包括热导、对流、辐射热阻和接触热阻等）；R2是热管管壁热阻；R3是吸液心及其界面热阻；R4是蒸汽进入液－汽界面的热阻；R5是蒸汽在管内从蒸发段流向冷凝段流动过程的热阻；R6是汽－液界面热阻；R7为冷凝液通过吸液心的热阻；R8是管壁热阻；R9是从热管外壳表面至环境（或热沉）的热阻（包括接触热阻）；R10是管壳从蒸发段至冷凝段的热阻；R11是管心从蒸发段至冷凝段的热阻。

图5

2 热管的传热极限

热管传热能力的上限将受到一种或几种因素的影响，有些高温热管启动时，蒸汽的速度可能会达到声速。声速条件是热管达到最大传热能力的一个限制。当温度不高时，又受到黏性力的限制。热管温度升高，由于管心内工作液被蒸汽携带而受限制。此外，还会受毛细压差不足以及蒸发段烧干的限制。

1）黏性限在较长的液态金属热管中，若在蒸汽压较低的条件下启动，该压力只能用于克服蒸汽流动过程中因黏性力而引起的摩擦损失，使管内的蒸汽流速低于声速。这时，热管的传热量达到极限，称为黏性限。

2）声速限随热管蒸发段的质量流量增加，蒸汽流速沿轴向增加，到蒸发段出口处达最大马赫数（汽流速度／声速）。这种阻塞流动是热管轴向热流的一个基本条件，称为声速限。

3）携带限热管工作时，蒸汽与回流液体的流向相反。在汽液界面上的液体，因受逆向蒸汽流剪切力的作用而产生波动。当蒸汽流的速度足够高时，可将波峰上产生的液滴刮起并由蒸汽携带至冷凝段，使冷凝液的回流量减小，造成蒸发段毛细心干涸，热管停止工作。这种极限称为携带限。

4）沸腾限热管中工质的相变包括表面蒸发和在吸液心内部的沸腾。除高温的液态金属热管外，一般的热管，两种情况均可能发生。对于工质在吸液心内的沸腾，其径向热流密度的最大值，既受毛细抽吸力的限制，也受膜态沸腾的限制。

5）毛细限当热管的毛细抽吸力不足以克服液流的阻力时，回流液体受阻，使蒸发段的工质得不到补充而出现干涸，通常将干涸前热管达到的最大传热量，称为毛细限。

图6

热管传热极限图