应用热管（ｈeat pipe）前山中避雨教案,须先充分把握基础概念,有时会把热管与热泵(heat pump)混淆不清,热泵是冷气机,冰箱等冷却机械的通称,对之供给动力,从低温处把热能吸上到高温处,进行热的泵浦(抽运)作用,热管是不从外部供给任何动力,热流方向为自然现象的高温流向低温,既不特殊,有何价值?其实热管是藉小温度差,快速输送大量热能的装置,为所谓的超热传导体(super conductor)1-1从开发到现在 美国俄亥俄洲G.M公司R.S.Gaugler申请专利的[Heat Transfer Device(热输送装置)](美国专利NO.2350348,申请日期1942年12月21日,登录日1944年6月6日)为有关热管的第1号文献.Gaugler在申请专利的说明书提出的创意是[外壁有吸热用凸片(fin),内壁有毛细管构造体(烧结的铁粉)的密闭管上部露出于绝热容器内部,管的下部浸入冰水,藉而冷却容器内的空气,可用为冰箱],但在当时的美国未实用化.1963年美国原子能委员(AEC)申请的[Evaporation-Cond-ensation Heat Transfer Device(蒸发-凝结的热输送装置)](美国专利NO.3229759,发明人G.M.Grover,申请日1963年12月2日,登录晶1966年1月18日),在专利说明书中首次使用Heat Pipe(热管)组件,不过,构造上增大管内部蒸气通路的断面积,机能上扩大作动温度范围,实际上,Grover Gaugler无关连,独立发明热管, 完成实用化.Grover在新墨西哥的Los Alamos研究所,指导热管研究小组,倾力研究人造卫星用热管,研制的水-不锈钢热管首次用于1967年发射的太空号(Atlas-Agenda号),照计划顺利运作.
Los Alamos的T.P.Cotter以理论解析热管内部的蒸气流与作动流体的流态少年大学生,其流动所致的热移动,发表论文[Theory of Heat Pipes],为很好的入门书.
欧洲方面,英国原子能研究所研究在热电子发电装置使用高温用热管.意大利Ispra (Joint Nuclear Research Center)也研究同一目标,Ispra以C.A.Busse为中心,研究在高温作动(1600-1800℃)作动的热管寿命,Ispra的研究成绩急速进展,己成欧洲研究热管的中心,此外,德国(Stuttgart)的IKE(Institute fur Kernenergetik und Energiesysteme Universitat Stuttgart,F.R.G.)法国(Grenoble)的核能研究所,英国的Reading大学及IRD公司,荷兰的ESRO(Euroean Space Research Organization)也有贡献,初期的研究都以用于宇宙飞船为中心.
最先把热管商品化的是美国RCA公司(1966)年,热管才在世界各国用于地面各种机器的冷却或均热化(例如热交换器,电子装置的冷却等.)
1973年10月在西德(Stuttgart)召开第1,届车际热管会议(lst IHPC ,International Heat Pipe
Conference),发表41篇论文(美国11,西德10,荷兰6,意大利5,苏联4,英国3,以列,南斯拉夫各1),41篇论文中,以太空为对象的热管应用例有8篇,以地面各种机器为对象的热管应用例有6 篇,有关VCHP(可变传导率热管)的论文也有6篇.
以后大约每3年召开国际热管会议,2nd IHPC是1976年3月在意大利(Bologna)召开,发表74篇论文(美26,苏13,西德,意大利,英各8,荷4,南斯拉夫3,加拿大,比利时,印度,法国各1.)
3 rd IHPC在1978年5月召开于美国(Palo Alto),发表85篇论文(美39,西德,苏各12,荷5,义4,英,日各2,南斯拉夫,罗马尼亚各1,其它4)
4 th IHPC在1981年9月召开于英国(London),发表68篇论文,日本占13篇,会议中的国际委员会(主席r .Grover,日本代表委员:大岛耕一博士)决定5 th ＩＨＰＣ在１９８４年于日本举行．
当时，日本的热管欲步入量产节段，应用分野也多，政府的研究机关，大学及研究所的基础研究也有很多独创性，位居世界之峰．
这些企业及研究者协力在１９８２年６月设立日本热管协会，以协会的理事为中心，组成〔５ｔｈ IHPC实行委员会〕,筹备国际大会.
1984年5月14日-18日在筑波圆都市内的交流中心召开5th IHPC,参加人数外括外国的63人
共152人,发表论文116篇(日本32篇),1984年是热管的发明及命名20周年纪念,所以在5月16日国际会议的晚餐会中,大岛耕一教授(日本热管协会会长)向Dr.Grover呈赠[Award medal],在本会议召开期间,举行热管关连制品展示会(Technical Dislays),中国大陆首度派6人参此本会议,下届6th IHPC将在法国召开.
日本的热管及其关连机器生产量是每年50亿圆,匹敌美国,热管的应用分野遍及人造卫星,发热回收用热交换器,电气装置及电子组件的冷却,音响机器的冷却,太阳热或地热的有效作用,塑料成形模具的冷却,工作母机的主轴冷,包装机械,厨房机器,电缆的冷却,马达的冷却,制动器的冷却,引擎冷却,旋转滚子的均热化等.
1-2作动的原理
为了解热管的概念,本节以毛细构造式热管与热虹吸式热管为例,说明基本构造与作动原理.
1.2.1 毛细管构造式热管
基本构造有三要素:
密闭容器(container)
毛细管构造(wick)
作动流体(working fluid)
密闭容器的强度须耐作动中的最大压力,内壁面衬易吸收作动流体的多孔质毛细管构造材,容器内部成真空后,注入相当于毛细管构造细孔总容积的作动流体,因而,中央的究竟为空胴状态,全体非常轻量,这是热管的第一特,也是应用于太空技术的理由之一.
热管通常可摆成任何姿势,置成与水平成倾角的状态时,加热任一处均可,现设加热上端部(最苛刻的状态),其加热能量会把内壁附近的作动流体加热,蒸发,此时,加热部空间的蒸气压升高,往压力低的他端部产生蒸气流,此蒸气在该处冷却,凝结党史博览,回复成原来的液体,此时,从加热部往冷却部的热输送量表成下式:
此热量甚大于通常的热传导或热传达现象,这是热管最自豪的特,这是利用作动流体相变化之际的大焓(enthalpy)差-----亦即潜热.
以上的过程只经一次热移动就停止,所以发明毛细管构造,亦即藉毛细管力,使凝结液回到原来的蒸发部,如此完成作动液体的循环,可连续进行热输送,全过程移动作动流体不需特别动力,这也是热管的特之一.
1支热管动领域分为吸收热的蒸发部(加热部),放出热的凝结部(冷却部),无热进出的绝热部,又如图1.1所示,持续蒸发液体的加热部与持续凝结的冷却部之毛细管构造细孔之气液接口(
meniscus)产生曲率之差,此时,友立资讯两者表面红力之差成为输送液体的毛细管力.
热管的作动温度取决于封入的作动流体种类,须是液与气相共存的范围内,在图1.2的物质状态图,是固体与液体,气体共存的三重点(trile point)到临界点(critical point)间,但是航天五院,有的作动液体在临界点附近成为非常高的蒸气压,此时由于容器强度的关系,限于比临界温度更低的温度,在三重点附近,蒸气密度太小,得不到很大的热输送量,所以有时限于更高某种程度的温度,的作动温度范围详附录1.
在液相与气相共存的状态,两相间几无温度差存在,依热能的吸收或放出的方向而从液相变成气相或从气相变成液相,前者为蒸发过程,后者为凝结过程,如此,热管在原理上可温度差,以准静性输送热能,但这是理想化的模型,实际如图1.3所示,例如蒸气流与凝结传热面间存在着有限的热传达率,因而,有相当于此的热阻,在含有液体的毛细管构造之厚度方向,以固液混合体中的热传导现象传送热能,在容器壁以纯固传导传到外壁面,最后从外壁面依热管的使用目的而以各种放热形态----例如往固体吸热源的热传导,往气体或液体的热传达或往低温空间的放射传热,各有热阻存在,结果,相称的温度差是凝结部小计为(Tv-Tl),在蒸发部也同样,也有热阻和温度差(Th-Tv)存在,具体的热阻评价方法详次章.
热管的作动原理中,也不可疏忽以何种方法使凝结的液体回到原来的蒸发部,本节以毛细管构
造的毛细管力为例.另有很多液返回法,实际上,热管的开发研究最有创意的是液返回法,表1.1为己开发的各种方法.
1.2.2 热虹吸式热管
由热管的发展经纬可知,初期是当成太代技术起步,作动流体从凝结部返回蒸发部不得不依赖毛细管构造的毛细管力,矶沙蚕但是,把毛细管构造应用于地面技术时,有下列缺点,亦即(1)增大热阻,(2)最大热输送量受制于毛细管界限,(3)最大热输送量受限于沸媵界限,(4)插入毛细管构造的复杂工程成本高.
所以地上的就用除了需要上部加热方式(top-heat mode 或 heat pipe mode )的动之外,不用毛细管构造,改用热虹吸,亦即有效利用重力使液体返回.
此热管实就称为[密闭二相热虹吸式热管],以便有别于古来的热虹吸,图1.4为密闭二相热虹吸式热管的构造与作动原理,其构成只有容器与作动流体,作动为下部加热方式,以底部液槽发生的沸腾传热为主角.
此热管的热流束为毛细管式的10-100倍.毛细管式为避免沸腾气泡堵塞毛细管构造内而设沸腾界限.热虹吸式却积极有较利用沸腾,在凝结部也无毛细管构造,热阻极小,但在蒸发部因是沸腾传热样式,有时不稳定,衍生复杂的现象,有若干未解决的问题.
1-3 作动的特性
热管的优秀特性如下:
(1) 输送大量热(利用潜热)
