8种热管构造形式与应用

 

 

1、超薄热管构造形式

在实际应用中，超薄热管通常定义为厚度小于2.0mm的平板热管。超薄热管很薄，可紧贴电子元件表面散热，故被广泛应用于移动和可携带电子设备，如智能手机、笔记本电脑和智能手表。用于笔记本电脑和平板电脑的超薄热管厚度分别为1-2mm和0.8-1.2mm，传热能力大于20W；对于智能手机或智能手表，超薄热管厚度为0.4-0.6mm，其传热能力大于5W。目前，超薄热管主要有压扁型热管、均温板、平板微热管和超薄环路热管四种构造形式。

压扁型热管

压扁型热管采用直接压扁常规圆柱形热管的方法制作，其组成和工作原理与常规热管类似，如图1所示。压扁型热管沿轴向方向一般依序为蒸发段、绝热段和冷凝段。压扁型热管的制造工艺高效灵活，长扁形结构可使热管实现多热源、长距离热传递，但也存在一些缺陷，如表面积小、形状单一。压扁型热管主要应用于智能手机、平板电脑等小型移动设备。

图1压扁型热管:（a）原理图;（b）实物图

均温板

均温板是由一个呈板状结构的封闭容器组成，容器内壁覆盖有吸液芯结构，且蒸发器和冷凝器位于该封闭容器的两侧，如图2所示。均温板内吸液芯是提高热管传热性能的关键，吸液芯产生的毛细力为液体回流提供动力，推动工质循环，提高气液相变传热效率。此外，均温板还具有重量轻、结构灵活和高导热性等优点，尤其是它具有较大的冷凝面积，使均温板普遍应用于局部热流密度大的电子设备散热。

图2均温板:（a）原理图;（b）实物图

平板微热管

平板微热管与均温板相似，是由蒸发器、吸液芯和冷凝器组成，整体呈薄平板状，如图3所示。与均温板不同之处在于，平板为热管内部没有空腔，其蒸发器和冷凝器分别位于吸液芯的两侧，且与吸液芯紧密接触。所以，平板微热管在继承均温板高均温性能和高传热能力的同时，其厚度大大减小。因此，平板微热管主要应用于有限散热空间的高热流密度电子器件散热。

图3 平板微热管示意图

超薄环路热管

超薄环路热管的组成和工作原理与传统环路式热管相似，如图4所示。典型的环路热管由蒸发器、补偿室、蒸汽通道、冷凝器和液体回流通道组成，热管整体呈环状结构。吸液芯结构位于蒸发器和补偿室内，其余回路元件均由光滑壁管组成，光滑壁管可以减少工作液体回流到蒸发器的流动阻力，这使得超薄环路热管特别适用于长距离的热传递。此外，超薄环路式热管具有相互独立的蒸发器和冷凝器，这样不仅可以消除可能发生的夹带效应，还可以传递更多的热量。因此，除了应用于移动设备散热，超薄环路热管还可应用于动力电池热控。

图4 超薄环路热管:（a）原理图;（b）实物图

2、超薄热管吸液芯构造

吸液芯是两相传热装置热管的核心组成，它通过气液相界面提供毛细力来驱动热管内工质循环工作。热管的启动和热传递性能主要取决于吸液芯毛细流动相变行为。毛细压力和渗透率是吸液芯的关键参数，直接决定相变性能和毛细传热极限。概括起来，超薄热管的吸液芯构造主要有烧结吸液芯、微槽吸液芯和复合吸液芯。

烧结吸液芯

烧结吸液芯结构因其毛细力大、抗重力能力强和成本低而被广泛应用于超高压输电系统。烧结吸液芯主要有烧结粉末芯、烧结网芯和烧结纤维芯等形式。

(a)烧结粉末芯   (b)烧结网芯   (c)烧结纤维芯

图1烧结吸液芯主要形式

在传统热管中最广泛使用的烧结粉末吸液芯，由于较厚的粉末层和由找平引起的裂纹，几乎已经被用于制造超高温聚合物的烧结网/纤维吸液芯所取代。因此，我们可以使用烧结网状/纤维作为吸液芯，获得更薄、更柔软的扁平热管。

微槽吸液芯

由于微槽吸液芯具有渗透性高、质量轻和热阻低等独特优势，微槽毛细结构是超薄热管的优越候选。目前，高速旋转成形、犁削-挤压、放电加工、等离子蚀刻和激光微加工等工艺技术已应用于微槽制造。

微槽超薄热管外壳通常使用非金属材料（例如硅和聚合物），并且微槽吸液芯结构大多使用等离子体蚀刻和激光微加工来制造，如图2。虽然微加工工艺可获得更薄的具有更高传热性能的超薄热管，但其成本高、质量不稳定、工艺复杂耗时，限制了其应用范围。

(a) 超薄平板   (b)等离子体蚀刻凹槽

图2微槽吸液芯结构超薄平板

复合吸液芯结构

具有良好热性能的超薄热管吸液芯需具有大毛细力和高渗透率品性。然而，烧结吸液芯虽然高毛细泵压，但液体渗透率低，而槽道吸液芯的性能恰相反。因此，目前已经开发了由两种或多种类型单芯结构组成的复合吸液芯结构，以平衡高毛细能力和高渗透率之间的矛盾。目前，超薄热管中使用较多的复合吸液芯结构主要有烧结网-凹槽复合芯      和烧结粉末-凹槽复合芯，如图3所示。

(a)烧结网-凹槽复合芯 (b)烧结粉末-凹槽复合芯

图3 复合吸液芯的主要形式

3、柔性热管构造

柔性热管是一种具有弯曲变形特征的热管。其工作原理与常规热管一致，由蒸发端、冷凝端和绝热端组成，一般情况下柔性部分位于绝热段，如图1。柔性连接可实现热管的弯曲变形，便于安装和自由地调节冷凝端和蒸发端的相对位置，可与某些复杂外形元件表面高效贴合，在狭小空间电子器件散热场合应用有独特优势。尤其值得一提的是，柔性热管特别能适应频繁振动或有相对运动条件下电子器件散热。根据柔性部位材质不同，柔性热管可以分为金属柔性热管、有机聚合物柔性热管以及金属-聚合物柔性热管。

金属柔性热管

图2 金属柔性热管：(上) 延展型，(下) 波纹管型

金属柔性热管主要有基于金属本身延展性实现柔性变形热管和利用金属波纹管柔性连接的热管，如图2所示。金属柔性热管不仅具有较高的导热率、较低的热阻，而且可以达到较高的结构强度，能够承受比较大的内部压力，保证热管稳定运行。但是，受金属自身延展性以及波纹管形变的限制，金属柔性热管一般变形量较小。此外，金属管作为蒸发段和冷凝段，往往约束了与电子器件之间的有效接触，导致蒸发段和冷凝段热阻较大。

 有机聚合物柔性热管

有机聚合物柔性热管是指利用柔性有机聚合物为封装壳体材料的一类热管。与金属材料相比，有机聚合物具有良好的柔韧性、绝缘性、轻质等优点，可满足柔性可折叠电子器件、航空航天减重器件等特殊条件下的散热要求。

有机聚合物柔性热管，因有机聚合物具有弹性高、柔性大的特性，能够达到90°以上的弯曲变形，使得弯曲程度超过金属柔性热管。并且，有机聚合物柔性热管可以实现蒸发段与某些外形复杂的电子元件表面高效贴合，尤其适用于曲面热源散热、粗糙表面散热等复杂情况。但是，由于有机物聚合物的小导热率、低软化温度、大热膨胀系数，导致此类热管传热量小，仅适用于发热功率低的电子器件。

图4 金属-聚合物柔性热管

 金属-聚合物柔性热管

金属-聚合物柔性热管（图4）是在蒸发端与冷凝端采用金属材料，在柔性连接部分采用聚合物。此类热管利用金属材料良好的导热性能，实现蒸发段与冷凝段高效传热的效果。并且，利用聚合物材料良好的柔性，实现热管的大弯曲变形。金属-聚合物复合型柔性热管很好地解决了大弯曲变形和高效传热的双重需求。

4、微热管构造

微热管的工作原理与常规热管类似，主要的区别在于：常规热管内通常存在毛细吸液芯产生毛细力以驱动工质回流，而微热管则主要通过通道尖角区域产生的毛细力驱动工质回流。自从1984年Cotter提出微热管的概念以来，微热管构造从单微热管，发展到微热管簇，以及内部沟槽互通的微槽平板热管，使得微热管传热性能得到显著提高。

单微热管

对于微热管的研究，最初主要集中在管径100~1000μm，管长在10~60mm的无吸液芯结构的带有尖角的单根热管，其通道横截面多为三角形、矩形或正方形，如图1所示。这三种微热管的管壁都是等厚度的直壁，通道在不同构造下存在大小不一的尖角区域，而微热管正是利用这些尖角为液体回流提供动力。但是，尖角毛细力略显不足，主要应用于传热量不大，但对均温性和稳定性要求高的场合。为了进一步提高微热管的毛细性能，一些不规则的単微热管构造形式也相继提出，如图2所示。这些异形截面形状有力增强了毛细驱动效能，进而提升了単微热管的传热能力。

图1 单微热管（直截面）

图2 单根微热管（异形截面）

微热管簇

微热管簇作为高效均热片能够有效消除局部热点，保持硅片均温，广泛应用于微小型电子元器件散热。微热管簇是在固体基板上开出一簇独立、平行的微细槽道形成，如图3所示。微型热管簇相当于将多个单根微热管集成在一起，以此来提高微热管的导热效能。然而，这种强化传热是有限的，因为它们只提供沿单个阵列微槽的轴向传热。

图3 三角形通道微热管簇

微槽平板热管

微槽平板热管与微热管簇的主要区别在于，微槽平板热管各蒸汽槽道互相连通（如图4所示），而微热管簇各通道则相互独立。由于微槽热管蒸汽腔相互连通能够实现热量二维传递，解决了微型热管簇只能一维热传递的问题，使得微热管的传热效能及均温性得到显著提高。

图4 微槽平板热管

5、脉动热管构造形式

随着电子芯片、发光二极管和动力电池等领域向着小型化和高集成化发展，因过热而导致这类器件可靠性问题日益得到了重视关注。脉动热管作为上世纪90年代初提出的一种传热元件，由于其设计简单、成本低和热性能优越，在余热回收、航天热管理和电子冷却等场景的高效冷却装置设计与开发中有着很好的应用前景。

图1 热管工作原理示意图：(a) 常规重力热管；(b) 脉动热管

不同于传统重力热管(如图1(a))，脉动热管的基本结构仅仅包括一个在平面内蛇形排列的连续无芯毛细管。如图1(b)中所示，脉动热管按环路结构可分为封闭型和开放型两种，但由于封闭回路中的工质最终能够实现稳定的循环流动，使得封闭性脉动热管得到了更多的关注。该型热管还具有易于小型化、结构灵活和逆重力运行等优点，而缺点在于由于完全依靠热驱动，相比于传统毛细力辅助工质流动的热管在面对长距离热输送需求时会有局限性。闭合回路脉动热管的加工过程和传统热管类似，都要经历三个过程：管内抽真空，工作流体部分填充和密封。加工完成的脉动热管在未启动时，内部工质会以非均匀气液塞的形式自然地分布在毛细管内。在对管束的一端加热后，热量通过内部持续的气液两相流体振荡或循环流动将热量传递到冷却端进行散热。正是由于上述基于两相流传热的独特工作原理，脉动热管相比单一的金属导热结构具有显著的性能优势。研究表明，脉动热管等效导热系数可以达到铜的几十倍。总的来说，脉动热管是一种简单可靠、无噪声并且经济可行的传热选择。

由上述脉动热管的工作原理可知，脉动热管主要依靠工质的振荡运动将蒸发段的热量以潜热和显热的形式传递到冷凝段。因此，强化脉动热管的传热性能应从以下两个方面着手：（1）强化管内汽液介质与管壁之间的传热；（2）增加管内工质振荡频率和循环力。当前研究涉及的脉动热管主要包括管式和板式两种。基于上述强化思路，国内外已提出了多种新的脉动热管构造形式，具体如下：

1）止回阀结构脉动热管

在脉动热管回路中配置一个或多个单向止回阀（图2）可以使工作流体按规定的方向循环流动，这使得带止回阀的闭式循环脉动热管的热性能要优于常规的闭式循环脉动热管。随着研究深入，目前还发展出一种特斯拉型止回阀平板脉动热管，如图3所示。与上述的浮球式止回阀相比，Tesla阀完全由通道构成，结构简单且易于与脉动热管结合。其特点在于流体在主通道流动时压降较小，而在侧通道流动时压降较大。通过合理地布置Tesla阀可使工质在脉动热管中正向流动的流动阻力低于反向流动的流动阻力，从而抑制工质的反向流动，促进工质单向循环流动，有效降低运行热阻。

图2止回阀结构脉动热管        图3 特斯拉型止回阀平板脉动热管

2）不均匀通道结构脉动热管

对于依赖热驱动的脉动热管来说，当在其内部添加图4中所示的不均匀通道结构时，工质在受热蒸发时不同口径的曲率半径使得液膜产生的表面张力不同，从而产生额外的循环动力。附加的循环力可以促进工质的循环流动，强化脉动热管的启动速度和传热能力，这一优势在中低热输入功率以及非均匀加热时表现得尤为明显。类似的构形还有如图5和图6中带斜向通道或部分波纹结构的脉动热管，在相邻主通道中加入起连通作用的斜通道可以促进流体单相流动。此外，在蒸发段布置波纹结构同样能够显著提升脉动热管的启动和传热性能。

图4不均匀通道示意图  图5斜向连接通道平板脉动热管  图6波纹结构脉动热管

3） 吸液芯结构脉动热管

吸液芯结构是近年来受到广泛关注的脉动热管内部结构优化方案。目前吸液芯结构主要有沟槽和多孔芯。在热管内壁面增加类似图7中所示的微槽结构不仅可以显著降低脉动热管的启动时间和启动功率，还可以增强显热和潜热的传递，使脉动热管获得较低的热阻和蒸发段温度。多孔芯结构是传统热管中提供毛细力使液体从冷凝器部分返回蒸发器部分的毛细尺度结构。热管中常用的是烧结颗粒状（如图8）、丝网状和筛状的多孔芯结构。常规的脉动热管是没有芯结构的，但考虑到烧结芯结构可以大幅度增加工质的潜热传递，因而将其引入脉动热管中以提升传热性能。在这个过程中，潜热的增加使得汽塞温度和压力均得到提升，从而增加了液塞的振荡幅度。

图7 微螺旋沟槽内表面   图8 烧结铜颗粒芯结构

4）三维脉动热管

传统的脉动热管研究多是基于二维单层通道结构，借助内部的两相流动传热特性能够表现出远高于纯金属板的传热能力。但是，随着现代热管理场景的日益复杂会发现常规单层式的脉动热管结构会将热质的输运限制在二维平面内。在面对高热流密度场景，具有更高通道密度的三维结构近年来也受到人们青睐，如图9所示的不同层数的三维管式等形式。三维脉动热管的主要目的是为了延展脉动热管在三维空间中的传热能力，同时更加紧凑的工质流道分布使单位面积内热量能够更多地被传递。

图9 不同层数的三维管式脉动热管

6、可变导热管构造

在一些变热载荷的应用场景，普通热管难以满足变热载荷需求。在变热载荷需求驱动下，发展出一种新型的控制温度的传热元件——可变导热管。可变导热管的导热能力可以随传热量的变化自动地发生改变,且可保持热管工作温度基本不变。可变导能力的形成在于冷凝段充入的不可凝性气体，处于平衡状态时如图1所示。

图 1 可变导热管的平衡状态

可变导热管工作的原理是：蒸发段被加热，工作液体蒸发，蒸汽压力升高，不凝气体被驱赶到冷凝段，蒸汽上升达到冷凝段，在冷凝段与管外冷流体换热后凝结，凝结液体经下降后返回蒸发段。被驱赶到冷凝段的不凝气体聚集在冷凝段形成气塞，气塞占据了冷凝段的部分空间，减小了冷凝段蒸发凝结换热的有效面积，且气塞具有一定的“弹性”。当加热负荷增大时，蒸汽压力增高，气塞被压缩，气塞长度变短，冷凝段有效工作面积增大，热管的导热能力很高。反之，当热负荷变小时，蒸汽压力减小，气塞长度变长，冷凝段有效换热面积减小，热管的导热能力降低。根据导热理论可知，当加热负荷变大时，由于冷凝段面积和相应的当量导热系数发生变化，使得热管的工作温度的变化幅度减小，从而达到控制热管工作温度的目的。

下面对可变导热管的构造形式进行较为全面的介绍。刚开始发展起来的可变导热管基本构造为在冷凝段末端配置一个储气腔（图2）。该形式可变导热管存在蒸汽会扩散至储气腔后冷凝积液的问题。故有必要吸收冷凝段储气腔内冷凝液，故引申出了带有吸液芯储气腔的可变导热管（图3），储气腔中蒸汽的分压将为与其温度相对应的蒸汽压力。

图2 可变导热管基本构造

图3 含吸液芯式储气腔的可变导热管

储气腔虽可达到控制温度的目的，但仍存在易受冷源温度影响而使得储气腔内温度压力不稳定，故人们又开发出具有热储气腔的可变导热管（图4），即储气腔主要位于蒸发器段附近，甚至在蒸发器段内。储气腔与蒸发器的热耦合将大幅降低可控性气体的温度波动。此外，实践中还引入半透膜塞来降低不凝性气体中工作蒸汽的分压。

图4 配置储气腔的可变导热管

从本质上讲，各种形式热管都很难保持自身的温度恒定，除非热容无限大的情况。在热源的热阻抗很大或器件热功率发生波动，则热源的温度难以保持恒定，可能会出现大幅度温度波动，在实际应用中难以接受。为此，人们又开发了具有反馈功能的可变导热管，即电子反馈（主动）控制和机械反馈控（被动），设计构造如图5、图6所示。主动反馈控制可变导热管依靠温度传感器、电子控制器和可加热储气腔而调节蒸汽-气体界面界面。如图6所示，机械反馈控制涉及到波纹管储气腔的使用，即通过波纹管的位移将蒸汽-气体界面的位移与热源联系起来，达到反馈控制调节热源温度的目的。

图5 主动反馈控制VCHP

图6 被动反馈控制VCHP

可变导热管具有传热和控温的双重特性，在航空航天、石油化工、余热回收等领域得到重要应用。一种重要的应用就是三轴对地静止卫星的散热器面板上采用可变导热管技术。此外，安装可变导热管为钠硫电池提供高温下工作的温度控制，进而提高充放电效率。伴随在变热载荷场景的应用，可变导热管的应用将越来越广泛，各国科学家和工程师仍需继续努力探索提升传热和控温的双重特性的各种构造方式。

7、两相回路热虹吸管构造及其应用

自然相变循环具有传热性能好、可靠性高、成本低等优点，是解决热问题的有效途径。作为常用的自然相变循环，两相回路热虹吸管(TPLT)也称为闭环两相热虹吸管、热虹吸管环路等。从本质上讲，两相回路热虹吸管是由温差和重力驱动的两相传热装置，因TPLT不需要多孔芯，所以其结构比传统热管简单。由于其单向流动模式，它比热管具有更具竞争力的传热距离和传热极限。

TPLT通常由铜、不锈钢、铝合金、玻璃或其他具有良好导热性和耐压性的材料制成。它通常由蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路组成，根据应用的需要，还可以包括其他部件。例如，可以在液体管线上采用蓄热器或与冷凝器和蒸发器集成，以优化可变工况下的传热性能；可以添加控制阀来主动调节传热能力。两相回路热虹吸管中可使用多种工作液，最常见的选择是水、丙酮、二氧化碳、乙醇、氢气和各种制冷剂。

两相回路热虹吸管的工作原理为：蒸发器从热源中吸收热量，同时热量通过冷凝器排出，冷凝器的高度比蒸发器高，以便形成重力驱动的自然流动循环。在关闭模式下，较重的工作液体停留在液体管线和蒸发器的底部，而工作气体填充剩余空间，从而维持TPLT中的饱和状态。一旦蒸发器和冷凝器之间有足够的温差，蒸发器中的工作液体将逐渐吸收热量并汽化，向上运动，通过蒸汽管路到达冷凝器；在将热量释放到热沉后冷凝，并通过液体管线回流至蒸发器从而关闭两相流循环。TPLT的工作原理与单管热管、环形热管和两相闭式热虹吸管有相似之处。

图1 两相回路热虹吸管工作原理  

根据TPLT的基本原理，在热虹吸管基础上进行必要改进，以达到实际应用过程的高效节能目的。下面介绍几种常见的两相回路热虹吸管应用案例。

   两相回路热虹吸管调节冰箱冷量应用

图2 冰箱工作原理示意图

在家用冰箱中，常规制冷循环采用启停方式来控制生鲜食品仓的温度，压缩机的启停频率直接影响温度波动，频率越高对于新鲜食品的储存越好，却会大大降低循环效率。为了解决这个问题，人们构建了两相回路热虹吸管与冰箱耦合系统，将两相回路热虹吸管用于蒸汽压缩循环的冷/热释放。在这系统中，PCM被用作冷能量的蓄水池和缓冲器，制冷循环在稳定的工作状态下连续运行以提高效率，而TPLT则将冷量从PCM传递到新鲜食物舱，精确控制其温度。TPLT可以在两种模式下调节其传热：由蒸汽和/或液体管线上的电磁阀的开关控制的高频启停模式；以及由蒸汽管线上的调节阀控制的无级传热调节模式。

 两相回路热虹吸管在空调系统中应用

(a)空调工作模式       (b) 两相回路热虹吸管工作模式

图3 空调系统工作原理

在两相回路热虹吸管与空调集成系统 (TPLT/AC)中，两相回路热虹吸管和蒸汽压缩循环共用同一流道、蒸发器和冷凝器。该系统蒸发器和冷凝器都是空气换热器，工作流体可以是空调中使用的各种制冷剂，如R22。当控制阀保持关闭时，系统正常运行在空调模式，如果控制阀打开，则切换到两相回路热虹吸管模式。采用低于所需室内温度5～10K的切换参考温度来确定两相回路热虹吸管的被动冷却能力是否足以满足室内降温。该系统有以下三种可能的运行模式：（1）夏季环境温度高于开关参考温度时，系统以AC运行，以保持足够高的制冷量；（2） 冬季环境温度始终低于开关参考温度时，系统以TPLT模式运行，以节约能源；（3）当环境温度在开关参考温度附近波动时，系统在AC和TPLT模式之间切换，一般出现在春季和秋季。

两相回路热虹吸管在热泵系统应用

(a)TPLT模式                     (b)HP模式

图4 热泵系统工作原理

热泵循环是制冷循环的逆循环，其工作流体和关键部件相似。与传统的空调/热泵系统相比，两相回路热虹吸管与热泵集成系统（TPLT/HP）需要额外的控制阀、旁通管以及蒸发器和冷凝器的安装位置和管道结构的调整。基于TPLT/A系统的相同工作原理，两相回路热虹吸管与热泵集成系统一般采用两TPLT模式，将热源（如太阳能和空气源）的热量传递到水中，如果热源温度太接近或低于水温，则切换到HP模式。模式开关取决于热源与水之间的温差。由于热源温度和水温的变化比两相回路热虹吸管与空调集成系统系统大得多，因此不采用参考温度。  

8、空间轴向槽道热管构造

轴向微槽道的热管由于其长距离无泵高效热量传输的优势已经应用于空间热控系统。相对于其他类型的热管，轴向槽道热管具有以下优势：可靠性高；对气塞的敏感度低；传热能力强、有效导热系数高、均温性强；易于制造。目前已发展起来的空间槽道热管的沟槽形式主要有多孔沟槽、单槽/再入槽结构、轴向/混合槽以及单槽缝，各种沟槽结构及特征概述如下：

1.    多孔沟槽

用于液体输送的纵向开口或覆盖筛网的凹槽

由多孔材料制成的毛细结构(具有高毛细力特性)

螺纹圆周槽(适用于高热传导过程)

2.    单槽/再入槽

用于液体输送的再入槽

性能受沟槽数量、槽宽比/沟槽半径(用于自动排气)影响

螺纹圆周槽(适用于高热传导过程)

3.    轴向/混合槽

先进梯形凹槽（强化沟槽的几何结构）

混合矩形和再入式沟槽（干化风险低，蒸发器内部毛细压力高）

4.    单槽缝热管

蒸汽空间内壁上的周向凹槽连通了蒸汽空间与凹槽

削弱蒸汽对工作液体的携带作用

液体填充量非常关键（液体填充量的少量减少会导致毛细管泵送压力的显著降低，使热能力大幅降低。）

来源：中国热管理产业技术创新战略联盟，文章来源：5G行业观察

 

审核编辑：刘清