熱管設計時要考慮的事項

熱管在當前散熱設計中常常使用，包括我們常見的筆記本電腦、手機等，都有熱管。在設計熱管時需要考慮以下因素：

1、熱負荷或要傳遞的熱量

2、工作溫度

3、管材

4、工作液

5、毛細結構

6、熱管的長度和直徑

7、蒸發區的接觸長度

8、補償區的接觸長度

9、方向

10、熱管彎曲和平整的影響

可以使用什么材料來構造熱管？

特定的工作流體只能在某些溫度范圍內起作用。而且，特定的工作流體需要相容的容器材料以防止流體與容器之間發生腐蝕或化學反應，因為腐蝕會損壞容器，并且化學反應會產生不可冷凝的氣體。表1說明了過去研究，實驗和商業生產中熱管的典型運行特性。例如，液氨熱管的溫度范圍為-70至+60?C，并且與鋁，鎳和不銹鋼兼容。液氨熱管已被廣泛用于空間，并且由于其重量較輕而僅使用鋁制容器。水熱管的溫度范圍為5到230°C，對于電子冷卻應用最為有效，銅制容器與水兼容。當熱管溫度低于工作流體的凝固點時，熱管將不起作用。凍結和解凍是一個設計問題，在垂直放置時可能會破壞熱管的密封接頭。適當的工程和設計可以克服此限制。

熱管的典型工作特性

什么是毛細結構？它如何影響熱管的性能？

熱管有四種常見的毛細結構，包括凹槽，絲網，燒結粉末金屬和纖維。毛細結構襯在熱管容器的內壁上，并允許液體通過毛細管作用從熱管的一端流到另一端。每個毛細結構都有其優點和缺點。沒有完美的毛細結構。每個毛細結構都有其自身的極限。

-凹槽毛細結構

-毛細管極限最低，但在冷凝器位于蒸發器上方的重力輔助定向下效果最佳。

-絲網毛細結構

-具有最均勻的棉芯，其工作原理是在蒸發器位于冷凝器上方的重力方向上進行。

-燒結粉末金屬毛細結構

-在重力方向下效果最佳。由于燒結粉末金屬芯通過金屬結合到管壁上，因此它從管壁到芯的傳導熱傳導或反之亦然，是四種常見芯中最好的

-纖維毛細結構

-最適合小半徑彎曲

圖1描繪了四種毛細結構的性能。可以看出，凹槽型熱管在四個毛細管中的毛細極限最低，但在重力輔助條件下效果最好。

長度和直徑如何影響熱管的性能？

冷凝器和蒸發器之間的蒸汽壓差決定著蒸汽在冷凝器和蒸發器之間傳播的速率。另外，熱管的直徑和長度會影響蒸氣的傳播速度，因此在設計熱管時必須加以考慮。熱管的較大橫截面積（即熱管的較大直徑）將允許將較大的蒸汽量從蒸發器傳輸到冷凝器。熱管的截面積是熱管的聲波極限和夾帶極限的直接函數。但是，熱管的工作溫度也會影響熱管的聲波極限。圖2比較了不同直徑熱管的熱傳遞。可以看到，熱管在較高的工作溫度下傳輸更多的熱量。

工作流體從冷凝器返回蒸發器的速率受毛細管極限的控制，并且是熱管長度的倒數函數。較長的熱管比較短的熱管傳輸更少的熱量。

圖3表示直徑為6mm的銅水燒結粉末金屬芯熱管在各種長度和方向上傳輸的熱量。

方向如何影響熱管的性能？

毛細極限較高的結構可克服重力將更多的工作流體從冷凝器傳輸到蒸發器。但是如前所述，具有最高毛細管極限的燒結粉末金屬芯吸熱管在重力輔助條件下（蒸發器位于冷凝器上方）效果最好。圖3顯示了重力對燒結粉末金屬熱管的影響。

熱管彎曲如何影響性能？

如果熱管彎曲，則可以相對于彎曲半徑和每個彎曲角度減小聲極限和夾帶極限。如果彎曲半徑太緊，則燈芯可能會破裂（粉末金屬燒結）或塌陷并被夾住（絲網）。因此，熱管的彎頭可能會減少可傳輸的熱量。圖4說明了直徑為6mm x 300mm長的熱管的蒸發器和冷凝器之間的溫差的實驗結果，該熱管以30°的彎曲間隔從筆直彎曲到180°U彎曲。彎曲半徑是Enertron建議的最小彎曲半徑，是管道直徑的3倍或18 mm。實驗結果證明，如果彎曲半徑等于或大于3倍，則彎曲不會影響性能。

熱管打扁如何影響熱管的性能？

如果將熱管壓扁，則相對于壓扁的厚度，聲極限和夾帶極限將減小。因此，對熱管的過度扁平化將減少可傳輸的熱量，甚至完全阻塞蒸汽通過。右圖顯示了一個燒結的粉末金屬芯吸熱管，該管過平并且蒸汽通道被阻塞。圖5說明了直徑為6mm的300mm長的熱管的蒸發器和冷凝器之間的溫度差的實驗結果，該溫度差是圓形的，扁平化為3.5mm和2.5mm的厚度。該實驗結果證明，適當的打扁不會影響性能，但是過度打扁會影響性能。如果打扁后蒸汽通道厚度大于 2mm，則與圓形管道相比，性能不會降低。

熱管平均工作溫度如何影響性能？

熱管的平均工作溫度會影響熱管的性能。平均溫度越高，性能越好。這是由于在較高溫度下工作流體的粘度較低，這使得更多工作流體能夠通過冷凝器從蒸發器流到油芯。在更高的溫度下，工作流體也可以更易揮發地變成氣態。圖6顯示了通過測試6mm直徑乘250 mm長的銅水燒結粉末金屬芯熱管的實驗結果。通過改變冷凝器的冷卻液溫度并將方向從-90度（相對重力）更改為+90度（輔助重力），將30瓦熱量輸入到蒸發器中，

熱管可靠嗎？

熱管沒有活動部件，可靠性非常高。但是，在設計和制造熱管時必須小心。兩個制造因素會降低熱管可靠性：密封性和清潔度。熱管中的任何泄漏最終都會使熱管失效。如果內部腔室沒有徹底清潔，則當熱管受熱時，殘留物將產生不可冷凝的氣體并降低管的性能。管道彎曲和展平不當也會導致管道密封件泄漏。有一些外部因素也可能縮短熱管的壽命，例如沖擊，振動，力沖擊，熱沖擊和腐蝕環境。

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