環路熱管

環路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是指一種迴路閉合環型熱管。一般由蒸發器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構成。其工作原理為：對蒸發器施加熱載荷，工質在蒸發器毛細芯外表面蒸發，產生的蒸氣從蒸氣槽道流出進入蒸氣管線，繼而進入冷凝器冷凝成液體並過冷，回流液體經液體管線進入液體幹道對蒸發器毛細芯進行補給，如此循環，而工質的循環由蒸發器毛細芯所產生的毛細壓力驅動，無需外加動力。 由於冷凝段和蒸發段分開，環路式熱管廣泛套用於能量的綜合套用以及餘熱的回收。

基本介紹

• 中文名：環路熱管
• 外文名：Loop Heat Pipe
• 別名：環路型熱管
• 英文簡稱：LHP
• 核心部件：蒸發器
• 領域：能源

熱管簡介

熱管技術是1963年美國洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)國家實驗室的喬治格羅佛(George Grover)發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。管（heat pipe）技術以前被廣泛套用在宇航、軍工等行業，自從被引入散熱器製造行業，使得人們改變了傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱效果的單一散熱模式，採用熱管技術使得散熱器即便採用低轉速、低風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得到良好解決，開闢了散熱行業新天地。現在常見於cpu的散熱器上。

從熱力學的角度看，為什麼熱管會擁有如此良好的導熱能力呢？物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象。從熱傳遞的三種方式來看（輻射、對流、傳導），其中對流傳導最快。熱管是利用介質在熱端蒸發後在冷端冷凝的相變過程（即利用液體的蒸發潛熱和凝結潛熱），使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體，這種液體沸點低，容易揮發。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一端為蒸發端，另外一端為冷凝端，當熱管一端受熱時，毛細管中的液體迅速汽化，蒸氣在熱擴散的動力下流向另外一端，並在冷端冷凝釋放出熱量，液體再沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發端，如此循環不止，直到熱管兩端溫度相等（此時蒸汽熱擴散停止）。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。

由於冷凝段和蒸發段分開，環路式熱管廣泛套用於能量的綜合套用以及餘熱的回收。環路式熱管的出現被界內認為是兩相流換熱技術的重大新突破。但是隨著套用的深入，在特定的使用場合也暴露了該熱管的一些缺點。面對緊湊式、分散式、長距離、多點複雜的高熱流密度熱源的散熱問題，由於自身結構和工作原理的限制，CPL和LHP已經顯得幾乎無能為力。科學工作者們遂開展了對外加動力熱管的研究。

國內外研究現狀

為了解決傳統熱管傳熱受長距離和冷熱源方位限制的問題，前蘇聯國家科學院的Maidanik等人於1971年在傳統熱管理論的基礎上提出了環路熱管的概念，並於1972年設計加工出第一套環路熱管。隨後的十幾年，環路熱管在前蘇聯國內得到不斷發展。1985年，Maidanik等人在美國為這種熱管申請了專利。這個依靠毛細力驅動工質循環的自動傳熱裝置曾先後被稱為“Heatpipe”、“Heatpipewithseparatechannels”和“Antigravitationalheatpipe”，直到1989年，環路熱管首次被套用於前蘇聯的太空飛行器熱控系統中，它才被國際上廣泛關注，並最終被命名為“Loopheatpipe”，在國內業界稱之為“環路熱管”。90年代以後，環路熱管因其優點受到了各國相關學者和空間飛行器熱控設計工作者的廣泛關注，許多國家都投入大量資金進行研究，各種結構形式、採用不同工質的環路熱管不斷在有關的學術會議上亮相。對環路熱管的研究主要包括實驗研究和分析、數學建模以及套用研究三個方面。

系統構成與工作原理

環路熱管（LoopHeatPipe，LHP）一般由蒸發器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構成。與早期結構的顯著區別是將液體回流管線引入到蒸發器中心，這段回流管線稱為液體引管。

LHP的工作原理：對蒸發器施加熱載荷，工質在蒸發器毛細芯外表面蒸發，產生的蒸氣從蒸氣槽道流出進入蒸氣管線，繼而進入冷凝器冷凝成液體並過冷，回流液體經液體管線進入液體幹道對蒸發器毛細芯進行補給，如此循環，而工質的循環由蒸發器毛細芯所產生的毛細壓力驅動，無需外加動力。

LHP的正常運行要求毛細芯產生的毛細壓力必須與工質在迴路內循環的總壓降相平衡，這些壓降主要包括工質在蒸氣槽道、蒸氣管線、冷凝器、液體管線以及毛細芯內流動產生的摩擦壓降以及反重力運行時液體回流所需克服的重力壓降。

若工質在迴路內循環的總壓降超過毛細芯所能提供的最大毛細壓力，蒸氣將擊穿毛細芯進入液體幹道，工質的正常循環無法維持，LHP將無法正常運行。
LHP在傳統熱管的基礎上發展而來，它繼承了傳統熱管的優點，同時克服了傳統熱管的固有缺陷和不足。LHP與傳統熱管最顯著的區別為毛細結構的局部化設定，它只在蒸發器吸熱區域布置毛細芯，將傳統熱管毛細芯的毛細抽吸功能與液體回流功能分離。對於LHP，液體經過光滑內壁管線回流，流動壓降顯著降低，因而可採用能提供很高毛細壓力的微米級孔徑毛細芯來克服重力的影響，同時不會產生增加液體回流阻力的負面影響。因此，LHP傳熱距離遠，反重力能力強，解決了傳統熱管受到使用方位和長度限制的問題。此外，LHP將蒸氣通道和液體通道分離，蒸氣和液體分別在各自的管線內傳輸，從而杜絕了攜帶現象的發生。值得一提的是，蒸氣管線和液體管線的分離使得LHP的安裝變得靈活方便，不再受限於熱源與熱沉的方位和距離，這是相對傳統熱管的又一優勢。

部件介紹

蒸發器

蒸發器是LHP的核心部件，它具有從熱源吸收熱量以及提供工質循環動力兩項重要功能。經過數十年的改進和發展，目前較為普遍的結構形式，蒸發器本體主要包括蒸發器殼體、毛細芯和液體引管。毛細芯外側的軸向槽道稱為蒸氣槽道（Vaporgroove），毛細芯內側為液體幹道（Liquidcore或Evaporatorcore）。
毛細芯是蒸發器的核心元件，它提供工質循環動力、提供液體蒸發界面以及實現液體供給，同時阻隔毛細芯外側產生的蒸氣進入儲液器。目前常用的毛細芯結構如圖1.6所示（俄羅斯國家科學院熱物理研究所樣品）。毛細芯一般是將微米量級的金屬粉末通過壓制、燒結等工藝成型，形成微米量級的孔徑，圖1.7給出毛細芯在電鏡下的多孔結構圖。

毛細芯內液體幹道的設定是為了使液體能夠沿軸向均勻地對毛細芯進行供液。否則，液體從儲液器沿軸向向毛細芯的供液阻力非常大，很容易造成供液不足，導致毛細芯產生軸向溫差，甚至出現局部燒乾現象。設定液體引管將回流的過冷液體直接引入到蒸發器中心，一方面，回流液體攜帶的冷量可用來平衡蒸發器透過毛細芯的徑向漏熱；另一方面，當液體幹道內由於蒸發器的漏熱產生了氣泡或積聚了不凝性氣體，從液體引管流出的過冷液體可以依靠自身攜帶的冷量對氣泡進行冷卻和消除，同時依靠自身的流動將這些不凝性氣體或氣泡推出液體幹道，防止毛細芯內表面發生氣塞現象，提高蒸發器的運行穩定性。

冷凝器

LHP系統的熱導很大程度上取決於冷凝器與熱沉之間的換熱性能。早期對LHP的研究大多針對空間套用背景，冷凝器主要以輻射的形式向空間熱沉釋放熱量，因而普遍採用將冷凝器管線嵌入冷凝器板的結構形式，地面實驗中亦可採用簡單的套管式冷凝器，使用恆溫槽模擬熱沉，泵驅動冷媒介質（如水、乙醇等）在套管內循環流動對冷凝器進行冷卻。

傳輸管線

傳輸管線包括蒸氣管線和液體管線。傳輸管線一般為細長的光滑內壁管（管徑範圍1-5mm），起到連線蒸發器和冷凝器的作用，從而構成工質循環流動的迴路。工質在光滑內壁管內流動阻力小，且管線柔韌易於彎曲，對複雜套用場合具有良好的適應性。傳輸管線管徑過小會造成工質流動阻力的增大，降低LHP的傳熱能力；而管徑過大會導致迴路中的工質充裝量以及儲液器體積的增大，同時管線的柔韌性變差。因此，應根據實際套用情況對傳輸管線的管徑進行合理的選擇。

儲液器

同傳統熱管相比，LHP在結構上增設了儲液器。儲液器位於蒸發器一端且兩者直接相連，結構緊湊，如圖1.5所示。儲液器的設定對LHP具有重要作用：

1、通過工質充裝量與儲液器容積的匹配設計，保證LHP蒸發器毛細芯一直被液體工質所浸潤，啟動前無需進行任何預處理，可直接對蒸發器施加熱載荷來啟動LHP；

2、LHP運行過程中保證對蒸發器毛細芯的液體儲備與供給；

3、適應啟動或變工況運行過程LHP迴路內氣液分布的變化與調整，實現工質在傳輸管線、冷凝器與儲液器間的自由轉移；

4、可容納蒸發器液體幹道內產生的蒸氣或迴路記憶體在的不凝性氣體，防止液體幹道內發生氣塞現象而妨礙對蒸發器毛細芯的正常供液；

5、通過對儲液器施加一定的功率（加熱或冷卻），可實現對LHP運行溫度的精確控制。
由於儲液器對LHP的啟動及運行具有重要意義，合理確定儲液器的容積十分重要。由於工質充裝量與儲液器容積的大小密切相關，在LHP設計過程中，兩者必須進行匹配設計。

工質選擇

工質選擇對於LHP的設計十分重要，因為它決定了LHP的運行溫區、傳熱性能、傳熱極限以及工作壽命等。
首先，應根據LHP的工作溫度範圍來選擇合適的工質。在工作溫度範圍內，工質必須能以氣液兩相狀態存在，即LHP的最低工作溫度應高於工質的凝固點，而最高工作溫度應低於工質的臨界溫度。否則，工質將在迴路內凍結或無法發生相變，因而LHP將無法正常運行。同時，應保證工質的凝固點低於熱沉溫度，否則，冷凝器因與熱沉直接相連而可能被凍結，進而造成LHP無法啟動。

其次，必須考慮工質與殼體材料的相容性。工質必須能浸潤毛細芯和管殼，同時，在LHP預期的設計壽命內，工質不能與毛細芯或管殼材料發生化學反應，或發生輕微的化學反應但不足以影響LHP的工作性能。否則，工質會腐蝕管材或產生不凝性氣體，影響LHP的傳熱性能以及使用壽命。

最後，適合該工作溫度範圍和滿足相容性的工質可能有多種，還應考察工質是否具有良好的熱物理性質，如較高的蒸發潛熱、較大的表面張力、較高的導熱係數以及較低的黏度等等。綜合考慮各種物性參數的影響，通常採用Dunbar因數（以BritishAerospace的CPL研究者NilDunbar命名）對不同工質的綜合性能進行比較。

傳統熱管的優點與局限

熱管作為一種具有超高導熱性能的傳熱元件在業界已廣為人知，在軍用和民用領域均得到了廣泛套用，如將熱管套用於太空飛行器熱控制、電子器件冷卻以及工業餘熱回收等。與其它傳熱元件相比，熱管具有很多優點：

(1)熱管具有極高的傳熱性能，能以很小的溫差遠距離傳輸較大的熱量；

(2)熱管具有優良的等溫性，蒸發段與冷凝段壁面溫度分別接近蒸發溫度和冷凝溫度，具有良好的溫度一致性；

(3)熱管內工質的循環由毛細芯產生的毛細壓力驅動，無需外加動力；

(4)熱管具有良好的啟動性能，蒸發段與冷凝段兩者存在很小溫差時，熱管便能迅速啟動，實現熱量的高效傳輸；

(5)對於水平放置的有芯熱管，熱量傳輸方向具有可逆性，而對於重力熱管，具有熱二極體（單向傳熱）的特性；

(6)熱管具有良好的環境適應性，可根據熱源和熱沉的結構形式對熱管結構進行一定的改變，如設定多個蒸發段或冷凝段，製成平板熱管或分離式熱管等。
然而，傳統熱管也存在一些固有的缺陷，限制了它的傳熱能力以及廣泛套用，主要包括如下幾個方面：
首先，傳統熱管受到使用方位和長度的限制。在重力場中，當蒸發段位於冷凝段上方會對熱管運行產生不利影響，因為毛細芯可能無法提供足夠的毛細壓力去克服重力而使冷凝液體回流至蒸發段，即傳統熱管的反重力能力非常差，尤其對於槽道熱其次，傳統熱管內有攜帶現象發生。由於熱管內蒸氣和液體直接接觸且流向相反，導致蒸氣對毛細芯內的回流液體施加剪下力。當蒸氣流速較高時，可能將氣液界面的液體以微滴形式攜帶回冷凝段，同時液體回流受阻。攜帶導致所需的工質循環量增大，當液體回流不能滿足循環量增加時，蒸發段就會燒乾。攜帶現象是限制傳統熱管傳熱能力的因素之一。
最後，傳統熱管安裝不夠靈活方便。傳統熱管的管殼通常是銅、鋁合金、不鏽鋼等金屬材料，只允許一定程度

展望