1、超薄熱管構(gòu)造形式

在實(shí)際應(yīng)用中，超薄熱管通常定義為厚度小于2.0mm的平板熱管。超薄熱管很薄，可緊貼電子元件表面散熱，故被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)和可攜帶電子設(shè)備，如智能手機(jī)、筆記本電腦和智能手表。用于筆記本電腦和平板電腦的超薄熱管厚度分別為1-2mm和0.8-1.2mm，傳熱能力大于20W；對(duì)于智能手機(jī)或智能手表，超薄熱管厚度為0.4-0.6mm，其傳熱能力大于5W。目前，超薄熱管主要有壓扁型熱管、均溫板、平板微熱管和超薄環(huán)路熱管四種構(gòu)造形式。

壓扁型熱管

壓扁型熱管采用直接壓扁常規(guī)圓柱形熱管的方法制作，其組成和工作原理與常規(guī)熱管類似，如圖1所示。壓扁型熱管沿軸向方向一般依序?yàn)檎舭l(fā)段、絕熱段和冷凝段。壓扁型熱管的制造工藝高效靈活，長(zhǎng)扁形結(jié)構(gòu)可使熱管實(shí)現(xiàn)多熱源、長(zhǎng)距離熱傳遞，但也存在一些缺陷，如表面積小、形狀單一。壓扁型熱管主要應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦等小型移動(dòng)設(shè)備。

圖1壓扁型熱管:（a）原理圖;（b）實(shí)物圖

均溫板

均溫板是由一個(gè)呈板狀結(jié)構(gòu)的封閉容器組成，容器內(nèi)壁覆蓋有吸液芯結(jié)構(gòu)，且蒸發(fā)器和冷凝器位于該封閉容器的兩側(cè)，如圖2所示。均溫板內(nèi)吸液芯是提高熱管傳熱性能的關(guān)鍵，吸液芯產(chǎn)生的毛細(xì)力為液體回流提供動(dòng)力，推動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，提高氣液相變傳熱效率。此外，均溫板還具有重量輕、結(jié)構(gòu)靈活和高導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，尤其是它具有較大的冷凝面積，使均溫板普遍應(yīng)用于局部熱流密度大的電子設(shè)備散熱。

圖2均溫板:（a）原理圖;（b）實(shí)物圖

平板微熱管

平板微熱管與均溫板相似，是由蒸發(fā)器、吸液芯和冷凝器組成，整體呈薄平板狀，如圖3所示。與均溫板不同之處在于，平板為熱管內(nèi)部沒有空腔，其蒸發(fā)器和冷凝器分別位于吸液芯的兩側(cè)，且與吸液芯緊密接觸。所以，平板微熱管在繼承均溫板高均溫性能和高傳熱能力的同時(shí)，其厚度大大減小。因此，平板微熱管主要應(yīng)用于有限散熱空間的高熱流密度電子器件散熱。

圖3 平板微熱管示意圖

超薄環(huán)路熱管

超薄環(huán)路熱管的組成和工作原理與傳統(tǒng)環(huán)路式熱管相似，如圖4所示。典型的環(huán)路熱管由蒸發(fā)器、補(bǔ)償室、蒸汽通道、冷凝器和液體回流通道組成，熱管整體呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。吸液芯結(jié)構(gòu)位于蒸發(fā)器和補(bǔ)償室內(nèi)，其余回路元件均由光滑壁管組成，光滑壁管可以減少工作液體回流到蒸發(fā)器的流動(dòng)阻力，這使得超薄環(huán)路熱管特別適用于長(zhǎng)距離的熱傳遞。此外，超薄環(huán)路式熱管具有相互獨(dú)立的蒸發(fā)器和冷凝器，這樣不僅可以消除可能發(fā)生的夾帶效應(yīng)，還可以傳遞更多的熱量。因此，除了應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備散熱，超薄環(huán)路熱管還可應(yīng)用于動(dòng)力電池?zé)峥亍?/p>

圖4 超薄環(huán)路熱管:（a）原理圖;（b）實(shí)物圖

2、超薄熱管吸液芯構(gòu)造

吸液芯是兩相傳熱裝置熱管的核心組成，它通過氣液相界面提供毛細(xì)力來驅(qū)動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)工作。熱管的啟動(dòng)和熱傳遞性能主要取決于吸液芯毛細(xì)流動(dòng)相變行為。毛細(xì)壓力和滲透率是吸液芯的關(guān)鍵參數(shù)，直接決定相變性能和毛細(xì)傳熱極限。概括起來，超薄熱管的吸液芯構(gòu)造主要有燒結(jié)吸液芯、微槽吸液芯和復(fù)合吸液芯。

燒結(jié)吸液芯

燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)因其毛細(xì)力大、抗重力能力強(qiáng)和成本低而被廣泛應(yīng)用于超高壓輸電系統(tǒng)。燒結(jié)吸液芯主要有燒結(jié)粉末芯、燒結(jié)網(wǎng)芯和燒結(jié)纖維芯等形式。

(a)燒結(jié)粉末芯 (b)燒結(jié)網(wǎng)芯 (c)燒結(jié)纖維芯

圖1燒結(jié)吸液芯主要形式

在傳統(tǒng)熱管中最廣泛使用的燒結(jié)粉末吸液芯，由于較厚的粉末層和由找平引起的裂紋，幾乎已經(jīng)被用于制造超高溫聚合物的燒結(jié)網(wǎng)/纖維吸液芯所取代。因此，我們可以使用燒結(jié)網(wǎng)狀/纖維作為吸液芯，獲得更薄、更柔軟的扁平熱管。

微槽吸液芯

由于微槽吸液芯具有滲透性高、質(zhì)量輕和熱阻低等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，微槽毛細(xì)結(jié)構(gòu)是超薄熱管的優(yōu)越候選。目前，高速旋轉(zhuǎn)成形、犁削-擠壓、放電加工、等離子蝕刻和激光微加工等工藝技術(shù)已應(yīng)用于微槽制造。

微槽超薄熱管外殼通常使用非金屬材料（例如硅和聚合物），并且微槽吸液芯結(jié)構(gòu)大多使用等離子體蝕刻和激光微加工來制造，如圖2。雖然微加工工藝可獲得更薄的具有更高傳熱性能的超薄熱管，但其成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝復(fù)雜耗時(shí)，限制了其應(yīng)用范圍。

(a) 超薄平板 (b)等離子體蝕刻凹槽

圖2微槽吸液芯結(jié)構(gòu)超薄平板

復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)

具有良好熱性能的超薄熱管吸液芯需具有大毛細(xì)力和高滲透率品性。然而，燒結(jié)吸液芯雖然高毛細(xì)泵壓，但液體滲透率低，而槽道吸液芯的性能恰相反。因此，目前已經(jīng)開發(fā)了由兩種或多種類型單芯結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)，以平衡高毛細(xì)能力和高滲透率之間的矛盾。目前，超薄熱管中使用較多的復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)主要有燒結(jié)網(wǎng)-凹槽復(fù)合芯和燒結(jié)粉末-凹槽復(fù)合芯，如圖3所示。

(a)燒結(jié)網(wǎng)-凹槽復(fù)合芯(b)燒結(jié)粉末-凹槽復(fù)合芯

圖3 復(fù)合吸液芯的主要形式

3、柔性熱管構(gòu)造

柔性熱管是一種具有彎曲變形特征的熱管。其工作原理與常規(guī)熱管一致，由蒸發(fā)端、冷凝端和絕熱端組成，一般情況下柔性部分位于絕熱段，如圖1。柔性連接可實(shí)現(xiàn)熱管的彎曲變形，便于安裝和自由地調(diào)節(jié)冷凝端和蒸發(fā)端的相對(duì)位置，可與某些復(fù)雜外形元件表面高效貼合，在狹小空間電子器件散熱場(chǎng)合應(yīng)用有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。尤其值得一提的是，柔性熱管特別能適應(yīng)頻繁振動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下電子器件散熱。根據(jù)柔性部位材質(zhì)不同，柔性熱管可以分為金屬柔性熱管、有機(jī)聚合物柔性熱管以及金屬-聚合物柔性熱管。

金屬柔性熱管

圖2 金屬柔性熱管：(上) 延展型，(下) 波紋管型

金屬柔性熱管主要有基于金屬本身延展性實(shí)現(xiàn)柔性變形熱管和利用金屬波紋管柔性連接的熱管，如圖2所示。金屬柔性熱管不僅具有較高的導(dǎo)熱率、較低的熱阻，而且可以達(dá)到較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠承受比較大的內(nèi)部壓力，保證熱管穩(wěn)定運(yùn)行。但是，受金屬自身延展性以及波紋管形變的限制，金屬柔性熱管一般變形量較小。此外，金屬管作為蒸發(fā)段和冷凝段，往往約束了與電子器件之間的有效接觸，導(dǎo)致蒸發(fā)段和冷凝段熱阻較大。

有機(jī)聚合物柔性熱管

有機(jī)聚合物柔性熱管是指利用柔性有機(jī)聚合物為封裝殼體材料的一類熱管。與金屬材料相比，有機(jī)聚合物具有良好的柔韌性、絕緣性、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足柔性可折疊電子器件、航空航天減重器件等特殊條件下的散熱要求。

有機(jī)聚合物柔性熱管，因有機(jī)聚合物具有彈性高、柔性大的特性，能夠達(dá)到90°以上的彎曲變形，使得彎曲程度超過金屬柔性熱管。并且，有機(jī)聚合物柔性熱管可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)段與某些外形復(fù)雜的電子元件表面高效貼合，尤其適用于曲面熱源散熱、粗糙表面散熱等復(fù)雜情況。但是，由于有機(jī)物聚合物的小導(dǎo)熱率、低軟化溫度、大熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致此類熱管傳熱量小，僅適用于發(fā)熱功率低的電子器件。

圖4 金屬-聚合物柔性熱管

金屬-聚合物柔性熱管

金屬-聚合物柔性熱管（圖4）是在蒸發(fā)端與冷凝端采用金屬材料，在柔性連接部分采用聚合物。此類熱管利用金屬材料良好的導(dǎo)熱性能，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)段與冷凝段高效傳熱的效果。并且，利用聚合物材料良好的柔性，實(shí)現(xiàn)熱管的大彎曲變形。金屬-聚合物復(fù)合型柔性熱管很好地解決了大彎曲變形和高效傳熱的雙重需求。

4、微熱管構(gòu)造

微熱管的工作原理與常規(guī)熱管類似，主要的區(qū)別在于：常規(guī)熱管內(nèi)通常存在毛細(xì)吸液芯產(chǎn)生毛細(xì)力以驅(qū)動(dòng)工質(zhì)回流，而微熱管則主要通過通道尖角區(qū)域產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)工質(zhì)回流。自從1984年Cotter提出微熱管的概念以來，微熱管構(gòu)造從單微熱管，發(fā)展到微熱管簇，以及內(nèi)部溝槽互通的微槽平板熱管，使得微熱管傳熱性能得到顯著提高。

單微熱管

對(duì)于微熱管的研究，最初主要集中在管徑100~1000μm，管長(zhǎng)在10~60mm的無吸液芯結(jié)構(gòu)的帶有尖角的單根熱管，其通道橫截面多為三角形、矩形或正方形，如圖1所示。這三種微熱管的管壁都是等厚度的直壁，通道在不同構(gòu)造下存在大小不一的尖角區(qū)域，而微熱管正是利用這些尖角為液體回流提供動(dòng)力。但是，尖角毛細(xì)力略顯不足，主要應(yīng)用于傳熱量不大，但對(duì)均溫性和穩(wěn)定性要求高的場(chǎng)合。為了進(jìn)一步提高微熱管的毛細(xì)性能，一些不規(guī)則的単微熱管構(gòu)造形式也相繼提出，如圖2所示。這些異形截面形狀有力增強(qiáng)了毛細(xì)驅(qū)動(dòng)效能，進(jìn)而提升了単微熱管的傳熱能力。

圖1 單微熱管（直截面）

圖2 單根微熱管（異形截面）

微熱管簇

微熱管簇作為高效均熱片能夠有效消除局部熱點(diǎn)，保持硅片均溫，廣泛應(yīng)用于微小型電子元器件散熱。微熱管簇是在固體基板上開出一簇獨(dú)立、平行的微細(xì)槽道形成，如圖3所示。微型熱管簇相當(dāng)于將多個(gè)單根微熱管集成在一起，以此來提高微熱管的導(dǎo)熱效能。然而，這種強(qiáng)化傳熱是有限的，因?yàn)樗鼈冎惶峁┭貑蝹€(gè)陣列微槽的軸向傳熱。

圖3 三角形通道微熱管簇

微槽平板熱管

微槽平板熱管與微熱管簇的主要區(qū)別在于，微槽平板熱管各蒸汽槽道互相連通（如圖4所示），而微熱管簇各通道則相互獨(dú)立。由于微槽熱管蒸汽腔相互連通能夠?qū)崿F(xiàn)熱量二維傳遞，解決了微型熱管簇只能一維熱傳遞的問題，使得微熱管的傳熱效能及均溫性得到顯著提高。

圖4 微槽平板熱管

5、脈動(dòng)熱管構(gòu)造形式

隨著電子芯片、發(fā)光二極管和動(dòng)力電池等領(lǐng)域向著小型化和高集成化發(fā)展，因過熱而導(dǎo)致這類器件可靠性問題日益得到了重視關(guān)注。脈動(dòng)熱管作為上世紀(jì)90年代初提出的一種傳熱元件，由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低和熱性能優(yōu)越，在余熱回收、航天熱管理和電子冷卻等場(chǎng)景的高效冷卻裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)中有著很好的應(yīng)用前景。

圖1 熱管工作原理示意圖：(a) 常規(guī)重力熱管；(b) 脈動(dòng)熱管

不同于傳統(tǒng)重力熱管(如圖1(a))，脈動(dòng)熱管的基本結(jié)構(gòu)僅僅包括一個(gè)在平面內(nèi)蛇形排列的連續(xù)無芯毛細(xì)管。如圖1(b)中所示，脈動(dòng)熱管按環(huán)路結(jié)構(gòu)可分為封閉型和開放型兩種，但由于封閉回路中的工質(zhì)最終能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)流動(dòng)，使得封閉性脈動(dòng)熱管得到了更多的關(guān)注。該型熱管還具有易于小型化、結(jié)構(gòu)靈活和逆重力運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)在于由于完全依靠熱驅(qū)動(dòng)，相比于傳統(tǒng)毛細(xì)力輔助工質(zhì)流動(dòng)的熱管在面對(duì)長(zhǎng)距離熱輸送需求時(shí)會(huì)有局限性。閉合回路脈動(dòng)熱管的加工過程和傳統(tǒng)熱管類似，都要經(jīng)歷三個(gè)過程：管內(nèi)抽真空，工作流體部分填充和密封。加工完成的脈動(dòng)熱管在未啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部工質(zhì)會(huì)以非均勻氣液塞的形式自然地分布在毛細(xì)管內(nèi)。在對(duì)管束的一端加熱后，熱量通過內(nèi)部持續(xù)的氣液兩相流體振蕩或循環(huán)流動(dòng)將熱量傳遞到冷卻端進(jìn)行散熱。正是由于上述基于兩相流傳熱的獨(dú)特工作原理，脈動(dòng)熱管相比單一的金屬導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。研究表明，脈動(dòng)熱管等效導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到銅的幾十倍?？偟膩碚f，脈動(dòng)熱管是一種簡(jiǎn)單可靠、無噪聲并且經(jīng)濟(jì)可行的傳熱選擇。

由上述脈動(dòng)熱管的工作原理可知，脈動(dòng)熱管主要依靠工質(zhì)的振蕩運(yùn)動(dòng)將蒸發(fā)段的熱量以潛熱和顯熱的形式傳遞到冷凝段。因此，強(qiáng)化脈動(dòng)熱管的傳熱性能應(yīng)從以下兩個(gè)方面著手：（1）強(qiáng)化管內(nèi)汽液介質(zhì)與管壁之間的傳熱；（2）增加管內(nèi)工質(zhì)振蕩頻率和循環(huán)力。當(dāng)前研究涉及的脈動(dòng)熱管主要包括管式和板式兩種?；谏鲜鰪?qiáng)化思路，國(guó)內(nèi)外已提出了多種新的脈動(dòng)熱管構(gòu)造形式，具體如下：

1）止回閥結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管

在脈動(dòng)熱管回路中配置一個(gè)或多個(gè)單向止回閥（圖2）可以使工作流體按規(guī)定的方向循環(huán)流動(dòng)，這使得帶止回閥的閉式循環(huán)脈動(dòng)熱管的熱性能要優(yōu)于常規(guī)的閉式循環(huán)脈動(dòng)熱管。隨著研究深入，目前還發(fā)展出一種特斯拉型止回閥平板脈動(dòng)熱管，如圖3所示。與上述的浮球式止回閥相比，Tesla閥完全由通道構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于與脈動(dòng)熱管結(jié)合。其特點(diǎn)在于流體在主通道流動(dòng)時(shí)壓降較小，而在側(cè)通道流動(dòng)時(shí)壓降較大。通過合理地布置Tesla閥可使工質(zhì)在脈動(dòng)熱管中正向流動(dòng)的流動(dòng)阻力低于反向流動(dòng)的流動(dòng)阻力，從而抑制工質(zhì)的反向流動(dòng)，促進(jìn)工質(zhì)單向循環(huán)流動(dòng)，有效降低運(yùn)行熱阻。

圖2止回閥結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管 圖3特斯拉型止回閥平板脈動(dòng)熱管

2）不均勻通道結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管

對(duì)于依賴熱驅(qū)動(dòng)的脈動(dòng)熱管來說，當(dāng)在其內(nèi)部添加圖4中所示的不均勻通道結(jié)構(gòu)時(shí)，工質(zhì)在受熱蒸發(fā)時(shí)不同口徑的曲率半徑使得液膜產(chǎn)生的表面張力不同，從而產(chǎn)生額外的循環(huán)動(dòng)力。附加的循環(huán)力可以促進(jìn)工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)，強(qiáng)化脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)速度和傳熱能力，這一優(yōu)勢(shì)在中低熱輸入功率以及非均勻加熱時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯。類似的構(gòu)形還有如圖5和圖6中帶斜向通道或部分波紋結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)熱管，在相鄰主通道中加入起連通作用的斜通道可以促進(jìn)流體單相流動(dòng)。此外，在蒸發(fā)段布置波紋結(jié)構(gòu)同樣能夠顯著提升脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和傳熱性能。

圖4不均勻通道示意圖 圖5斜向連接通道平板脈動(dòng)熱管 圖6波紋結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管

3）吸液芯結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管

吸液芯結(jié)構(gòu)是近年來受到廣泛關(guān)注的脈動(dòng)熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。目前吸液芯結(jié)構(gòu)主要有溝槽和多孔芯。在熱管內(nèi)壁面增加類似圖7中所示的微槽結(jié)構(gòu)不僅可以顯著降低脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)功率，還可以增強(qiáng)顯熱和潛熱的傳遞，使脈動(dòng)熱管獲得較低的熱阻和蒸發(fā)段溫度。多孔芯結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)熱管中提供毛細(xì)力使液體從冷凝器部分返回蒸發(fā)器部分的毛細(xì)尺度結(jié)構(gòu)。熱管中常用的是燒結(jié)顆粒狀（如圖8）、絲網(wǎng)狀和篩狀的多孔芯結(jié)構(gòu)。常規(guī)的脈動(dòng)熱管是沒有芯結(jié)構(gòu)的，但考慮到燒結(jié)芯結(jié)構(gòu)可以大幅度增加工質(zhì)的潛熱傳遞，因而將其引入脈動(dòng)熱管中以提升傳熱性能。在這個(gè)過程中，潛熱的增加使得汽塞溫度和壓力均得到提升，從而增加了液塞的振蕩幅度。

圖7微螺旋溝槽內(nèi)表面 圖8 燒結(jié)銅顆粒芯結(jié)構(gòu)

4）三維脈動(dòng)熱管

傳統(tǒng)的脈動(dòng)熱管研究多是基于二維單層通道結(jié)構(gòu)，借助內(nèi)部的兩相流動(dòng)傳熱特性能夠表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于純金屬板的傳熱能力。但是，隨著現(xiàn)代熱管理場(chǎng)景的日益復(fù)雜會(huì)發(fā)現(xiàn)常規(guī)單層式的脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)會(huì)將熱質(zhì)的輸運(yùn)限制在二維平面內(nèi)。在面對(duì)高熱流密度場(chǎng)景，具有更高通道密度的三維結(jié)構(gòu)近年來也受到人們青睞，如圖9所示的不同層數(shù)的三維管式等形式。三維脈動(dòng)熱管的主要目的是為了延展脈動(dòng)熱管在三維空間中的傳熱能力，同時(shí)更加緊湊的工質(zhì)流道分布使單位面積內(nèi)熱量能夠更多地被傳遞。

圖9不同層數(shù)的三維管式脈動(dòng)熱管

6、可變導(dǎo)熱管構(gòu)造

在一些變熱載荷的應(yīng)用場(chǎng)景，普通熱管難以滿足變熱載荷需求。在變熱載荷需求驅(qū)動(dòng)下，發(fā)展出一種新型的控制溫度的傳熱元件——可變導(dǎo)熱管。可變導(dǎo)熱管的導(dǎo)熱能力可以隨傳熱量的變化自動(dòng)地發(fā)生改變,且可保持熱管工作溫度基本不變。可變導(dǎo)能力的形成在于冷凝段充入的不可凝性氣體，處于平衡狀態(tài)時(shí)如圖1所示。

圖1可變導(dǎo)熱管的平衡狀態(tài)

可變導(dǎo)熱管工作的原理是：蒸發(fā)段被加熱，工作液體蒸發(fā)，蒸汽壓力升高，不凝氣體被驅(qū)趕到冷凝段，蒸汽上升達(dá)到冷凝段，在冷凝段與管外冷流體換熱后凝結(jié)，凝結(jié)液體經(jīng)下降后返回蒸發(fā)段。被驅(qū)趕到冷凝段的不凝氣體聚集在冷凝段形成氣塞，氣塞占據(jù)了冷凝段的部分空間，減小了冷凝段蒸發(fā)凝結(jié)換熱的有效面積，且氣塞具有一定的“彈性”。當(dāng)加熱負(fù)荷增大時(shí)，蒸汽壓力增高，氣塞被壓縮，氣塞長(zhǎng)度變短，冷凝段有效工作面積增大，熱管的導(dǎo)熱能力很高。反之，當(dāng)熱負(fù)荷變小時(shí)，蒸汽壓力減小，氣塞長(zhǎng)度變長(zhǎng)，冷凝段有效換熱面積減小，熱管的導(dǎo)熱能力降低。根據(jù)導(dǎo)熱理論可知，當(dāng)加熱負(fù)荷變大時(shí)，由于冷凝段面積和相應(yīng)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，使得熱管的工作溫度的變化幅度減小，從而達(dá)到控制熱管工作溫度的目的。

下面對(duì)可變導(dǎo)熱管的構(gòu)造形式進(jìn)行較為全面的介紹。剛開始發(fā)展起來的可變導(dǎo)熱管基本構(gòu)造為在冷凝段末端配置一個(gè)儲(chǔ)氣腔（圖2）。該形式可變導(dǎo)熱管存在蒸汽會(huì)擴(kuò)散至儲(chǔ)氣腔后冷凝積液的問題。故有必要吸收冷凝段儲(chǔ)氣腔內(nèi)冷凝液，故引申出了帶有吸液芯儲(chǔ)氣腔的可變導(dǎo)熱管（圖3），儲(chǔ)氣腔中蒸汽的分壓將為與其溫度相對(duì)應(yīng)的蒸汽壓力。

圖2 可變導(dǎo)熱管基本構(gòu)造

圖3 含吸液芯式儲(chǔ)氣腔的可變導(dǎo)熱管

儲(chǔ)氣腔雖可達(dá)到控制溫度的目的，但仍存在易受冷源溫度影響而使得儲(chǔ)氣腔內(nèi)溫度壓力不穩(wěn)定，故人們又開發(fā)出具有熱儲(chǔ)氣腔的可變導(dǎo)熱管（圖4），即儲(chǔ)氣腔主要位于蒸發(fā)器段附近，甚至在蒸發(fā)器段內(nèi)。儲(chǔ)氣腔與蒸發(fā)器的熱耦合將大幅降低可控性氣體的溫度波動(dòng)。此外，實(shí)踐中還引入半透膜塞來降低不凝性氣體中工作蒸汽的分壓。

圖4配置儲(chǔ)氣腔的可變導(dǎo)熱管

從本質(zhì)上講，各種形式熱管都很難保持自身的溫度恒定，除非熱容無限大的情況。在熱源的熱阻抗很大或器件熱功率發(fā)生波動(dòng)，則熱源的溫度難以保持恒定，可能會(huì)出現(xiàn)大幅度溫度波動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中難以接受。為此，人們又開發(fā)了具有反饋功能的可變導(dǎo)熱管，即電子反饋（主動(dòng)）控制和機(jī)械反饋控（被動(dòng)），設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖5、圖6所示。主動(dòng)反饋控制可變導(dǎo)熱管依靠溫度傳感器、電子控制器和可加熱儲(chǔ)氣腔而調(diào)節(jié)蒸汽-氣體界面界面。如圖6所示，機(jī)械反饋控制涉及到波紋管儲(chǔ)氣腔的使用，即通過波紋管的位移將蒸汽-氣體界面的位移與熱源聯(lián)系起來，達(dá)到反饋控制調(diào)節(jié)熱源溫度的目的。

圖5 主動(dòng)反饋控制VCHP

圖6 被動(dòng)反饋控制VCHP

可變導(dǎo)熱管具有傳熱和控溫的雙重特性，在航空航天、石油化工、余熱回收等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。一種重要的應(yīng)用就是三軸對(duì)地靜止衛(wèi)星的散熱器面板上采用可變導(dǎo)熱管技術(shù)。此外，安裝可變導(dǎo)熱管為鈉硫電池提供高溫下工作的溫度控制，進(jìn)而提高充放電效率。伴隨在變熱載荷場(chǎng)景的應(yīng)用，可變導(dǎo)熱管的應(yīng)用將越來越廣泛，各國(guó)科學(xué)家和工程師仍需繼續(xù)努力探索提升傳熱和控溫的雙重特性的各種構(gòu)造方式。

7、兩相回路熱虹吸管構(gòu)造及其應(yīng)用

自然相變循環(huán)具有傳熱性能好、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是解決熱問題的有效途徑。作為常用的自然相變循環(huán)，兩相回路熱虹吸管(TPLT)也稱為閉環(huán)兩相熱虹吸管、熱虹吸管環(huán)路等。從本質(zhì)上講，兩相回路熱虹吸管是由溫差和重力驅(qū)動(dòng)的兩相傳熱裝置，因TPLT不需要多孔芯，所以其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)熱管簡(jiǎn)單。由于其單向流動(dòng)模式，它比熱管具有更具競(jìng)爭(zhēng)力的傳熱距離和傳熱極限。

TPLT通常由銅、不銹鋼、鋁合金、玻璃或其他具有良好導(dǎo)熱性和耐壓性的材料制成。它通常由蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽管路和液體管路組成，根據(jù)應(yīng)用的需要，還可以包括其他部件。例如，可以在液體管線上采用蓄熱器或與冷凝器和蒸發(fā)器集成，以優(yōu)化可變工況下的傳熱性能；可以添加控制閥來主動(dòng)調(diào)節(jié)傳熱能力。兩相回路熱虹吸管中可使用多種工作液，最常見的選擇是水、丙酮、二氧化碳、乙醇、氫氣和各種制冷劑。

兩相回路熱虹吸管的工作原理為：蒸發(fā)器從熱源中吸收熱量，同時(shí)熱量通過冷凝器排出，冷凝器的高度比蒸發(fā)器高，以便形成重力驅(qū)動(dòng)的自然流動(dòng)循環(huán)。在關(guān)閉模式下，較重的工作液體停留在液體管線和蒸發(fā)器的底部，而工作氣體填充剩余空間，從而維持TPLT中的飽和狀態(tài)。一旦蒸發(fā)器和冷凝器之間有足夠的溫差，蒸發(fā)器中的工作液體將逐漸吸收熱量并汽化，向上運(yùn)動(dòng)，通過蒸汽管路到達(dá)冷凝器；在將熱量釋放到熱沉后冷凝，并通過液體管線回流至蒸發(fā)器從而關(guān)閉兩相流循環(huán)。TPLT的工作原理與單管熱管、環(huán)形熱管和兩相閉式熱虹吸管有相似之處。

圖1 兩相回路熱虹吸管工作原理

根據(jù)TPLT的基本原理，在熱虹吸管基礎(chǔ)上進(jìn)行必要改進(jìn)，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用過程的高效節(jié)能目的。下面介紹幾種常見的兩相回路熱虹吸管應(yīng)用案例。

兩相回路熱虹吸管調(diào)節(jié)冰箱冷量應(yīng)用

圖2冰箱工作原理示意圖

在家用冰箱中，常規(guī)制冷循環(huán)采用啟停方式來控制生鮮食品倉的溫度，壓縮機(jī)的啟停頻率直接影響溫度波動(dòng)，頻率越高對(duì)于新鮮食品的儲(chǔ)存越好，卻會(huì)大大降低循環(huán)效率。為了解決這個(gè)問題，人們構(gòu)建了兩相回路熱虹吸管與冰箱耦合系統(tǒng)，將兩相回路熱虹吸管用于蒸汽壓縮循環(huán)的冷/熱釋放。在這系統(tǒng)中，PCM被用作冷能量的蓄水池和緩沖器，制冷循環(huán)在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行以提高效率，而TPLT則將冷量從PCM傳遞到新鮮食物艙，精確控制其溫度。TPLT可以在兩種模式下調(diào)節(jié)其傳熱：由蒸汽和/或液體管線上的電磁閥的開關(guān)控制的高頻啟停模式；以及由蒸汽管線上的調(diào)節(jié)閥控制的無級(jí)傳熱調(diào)節(jié)模式。

兩相回路熱虹吸管在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用

(a)空調(diào)工作模式 (b) 兩相回路熱虹吸管工作模式

圖3 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

在兩相回路熱虹吸管與空調(diào)集成系統(tǒng) (TPLT/AC)中，兩相回路熱虹吸管和蒸汽壓縮循環(huán)共用同一流道、蒸發(fā)器和冷凝器。該系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器都是空氣換熱器，工作流體可以是空調(diào)中使用的各種制冷劑，如R22。當(dāng)控制閥保持關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行在空調(diào)模式，如果控制閥打開，則切換到兩相回路熱虹吸管模式。采用低于所需室內(nèi)溫度5～10K的切換參考溫度來確定兩相回路熱虹吸管的被動(dòng)冷卻能力是否足以滿足室內(nèi)降溫。該系統(tǒng)有以下三種可能的運(yùn)行模式：（1）夏季環(huán)境溫度高于開關(guān)參考溫度時(shí)，系統(tǒng)以AC運(yùn)行，以保持足夠高的制冷量；（2） 冬季環(huán)境溫度始終低于開關(guān)參考溫度時(shí)，系統(tǒng)以TPLT模式運(yùn)行，以節(jié)約能源；（3）當(dāng)環(huán)境溫度在開關(guān)參考溫度附近波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)在AC和TPLT模式之間切換，一般出現(xiàn)在春季和秋季。

兩相回路熱虹吸管在熱泵系統(tǒng)應(yīng)用

(a)TPLT模式(b)HP模式

圖4 熱泵系統(tǒng)工作原理

熱泵循環(huán)是制冷循環(huán)的逆循環(huán)，其工作流體和關(guān)鍵部件相似。與傳統(tǒng)的空調(diào)/熱泵系統(tǒng)相比，兩相回路熱虹吸管與熱泵集成系統(tǒng)（TPLT/HP）需要額外的控制閥、旁通管以及蒸發(fā)器和冷凝器的安裝位置和管道結(jié)構(gòu)的調(diào)整?；赥PLT/A系統(tǒng)的相同工作原理，兩相回路熱虹吸管與熱泵集成系統(tǒng)一般采用兩TPLT模式，將熱源（如太陽能和空氣源）的熱量傳遞到水中，如果熱源溫度太接近或低于水溫，則切換到HP模式。模式開關(guān)取決于熱源與水之間的溫差。由于熱源溫度和水溫的變化比兩相回路熱虹吸管與空調(diào)集成系統(tǒng)系統(tǒng)大得多，因此不采用參考溫度。

8、空間軸向槽道熱管構(gòu)造

軸向微槽道的熱管由于其長(zhǎng)距離無泵高效熱量傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)已經(jīng)應(yīng)用于空間熱控系統(tǒng)。相對(duì)于其他類型的熱管，軸向槽道熱管具有以下優(yōu)勢(shì)：可靠性高；對(duì)氣塞的敏感度低；傳熱能力強(qiáng)、有效導(dǎo)熱系數(shù)高、均溫性強(qiáng)；易于制造。目前已發(fā)展起來的空間槽道熱管的溝槽形式主要有多孔溝槽、單槽/再入槽結(jié)構(gòu)、軸向/混合槽以及單槽縫，各種溝槽結(jié)構(gòu)及特征概述如下：

1. 多孔溝槽

用于液體輸送的縱向開口或覆蓋篩網(wǎng)的凹槽

由多孔材料制成的毛細(xì)結(jié)構(gòu)(具有高毛細(xì)力特性)

螺紋圓周槽(適用于高熱傳導(dǎo)過程)

2. 單槽/再入槽

用于液體輸送的再入槽

性能受溝槽數(shù)量、槽寬比/溝槽半徑(用于自動(dòng)排氣)影響

螺紋圓周槽(適用于高熱傳導(dǎo)過程)

3. 軸向/混合槽

先進(jìn)梯形凹槽（強(qiáng)化溝槽的幾何結(jié)構(gòu)）

混合矩形和再入式溝槽（干化風(fēng)險(xiǎn)低，蒸發(fā)器內(nèi)部毛細(xì)壓力高）

4. 單槽縫熱管

蒸汽空間內(nèi)壁上的周向凹槽連通了蒸汽空間與凹槽

削弱蒸汽對(duì)工作液體的攜帶作用

液體填充量非常關(guān)鍵（液體填充量的少量減少會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)管泵送壓力的顯著降低，使熱能力大幅降低。）

來源：中國(guó)熱管理產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，文章來源：5G行業(yè)觀察

審核編輯：劉清