低温热虹吸管的设计

摘要：作为一种高性能的传热方式，低温热管在低温技术以及超导磁体的冷却方面有广阔的应用。本文着重阐述了热虹吸管的工作原理、基本设计以及各种传热极限对热虹吸管的影响。

1 引 言

热管作为一种在小的温度梯度下就能把热量从一处传往另一处的传热元件，自从1964年洛斯阿拉莫斯国家实验室第一次发表它的工作原理以来，热管作为一种高性能的传热技术已经在中、高温获得了广泛应用。目前，低温制冷机(冷源)与应用场合(如超导磁体等)多数情况下采用铜等具有高热导率的金属材料实现热连接，但在传热距离较远的场合，由于金属传热面积的限制，制约了热流(冷量)的传输。人们需要寻找一种在相同传热条件下能够传递更多热量的传热方式，而低温热管则提供了这样的可能性。

低温热管中的工质在常温下处于超临界状态，工艺要求高，长期以来主要应用于航天领域。我国从70年代开始低温热管理论和实验研究，在航天器的温度控制、电器和电子设备的冷却、等温炉、标准黑体等方面取得了发展[1]。目前低温热管在我国无论是理论研究还是实验研究都还处于起步阶段。随着超导应用研究的深入以及低温技术的不断成熟，低温热管已具备了广阔发展的空间。文章主要介绍低温热虹吸管的设计过程。

2 低温热管特性的分析

低温下工质热物性和300K时有很大的不同，接触角小、粘度小、导热系数小。对于热虹吸管(无管芯重力辅助热管)来说，影响其工作性能的传热极限是携带限、沸腾限和干涸限。

根据参考文献[1]，对于热虹吸管产生携带极限时的准则关系：

热虹吸管由于沸腾产生的汽泡能够很快溢出，反而加强了换热，一般情况下即使热流量增大也不会出现沸腾极限，但是当处于大热流量的情况下，这些汽泡有可能形成一层汽膜，导致壁面温度突然升高，超过规定的壁面温度也能达到热管的沸腾极限。如果热管的充注量较少，蒸发段底部没有形成液池，在还没有达到沸腾极限时，由于充注量不足，在冷凝液回流到蒸发段底部之前就已经蒸干而达到了热管的干涸极限，根据参考文献[2]：

3 充注量的确定

我们假定环境温度为50℃，热管内部工质处于超临界状态，P=15MPa；充液量G可以通过公式(4)计算：

G=PV／RT (4)

用式(4)计算的工质充装量是热管在设计工况下能够充注的最大值。根据一般的经验，热管工质的充装量一般占热管总体积的20％左右，这时热管的工作性能最好。

4 热虹吸管工作温度的确定

低温热管的工作范围在0~150K之间，在此温度范围内有一些工质可供选择，这些工质有它自己的工作温度范围。该温度范围必须在凝固点和临界点之间，但应该避免接近凝固点和临界点，这是由于受热管中的工质流动的特性和内压的限制。当工作温度接近凝固点时，热管内工质的饱和压力过低、密度小，蒸汽流速大，产生很大的蒸汽压降，从而产生很大的温差。另外蒸汽压太低还会使热管内残留的不凝性气体所占的容积比相对增大，凝结段工作长度减小，热管传热性能变坏。当工作温度接近临界点时，热管内工质压力升高，给管壳选择带来困难，另外工质的品质因数将急剧下降。

设计热管时，换热条件一般比较明确，冷源和热源温度已知，因此可根据下列公式确定热管的工作温度。

由上述关系看出，热管的工作温度除与热源和冷源的温度有关外，还与蒸发和凝结段的热阻有关。根据一般经验，低温热管的工作温度最好选在工质的沸点附近。

表1 常用低温工质热物性[3]

5 工作流体的选择

热管是靠壳体内工作流体的相变和流动过程中质量的转移传送热量的。工作流体的各种性能对热管工作特性有重要的影响。工作流体的选择除考虑工作温度适应范围外，还应考虑下面几个问题。

5. 1 工质与热管材质间的相容性及工质的热稳定性

工质与材质之间一旦不相容将导致热管的性能坏或失效，要求工质在工作温度范围内不变质、发生化学反应和分解反应，不产生不凝结气体和锭物等。由于低温热管在常温下处于超临界状态，求热管材质必须能够承受足够的内压力，一般低温热管都是采用不锈钢ICrl8Ni9Ti。这种材料能够满低温热管需要承受的压力(除了氢气能使不锈钢生氢脆现象外)，是一种普遍使用的热管材质。

5. 2 工质的物性

热管的毛细极限传热量是随工质的品质因数N(N=ρισr／μτ)增大而增大的，该因数是反映工质性对热管轴向传热能力的影响。因此，要求工质汽化潜热和表面张力要大，粘度要低，润湿性能好，从而使工质的品质因数N提高，并从物性上为管的优良传热性能提供保证。低温热虹吸管不含细芯结构，品质因数对热虹吸管性能的影响没有含吸液芯的热管影响那么大，但是低温热虹吸管选择工质时还是应尽量选择潜热大、导热系数高、湿性好的工质作为工作流体。

另外，工质的液一汽密度比值也是一个不可忽韵因素。这对热管内部的设计带来很大的影响，为热管横截面积是由该密度比值所决定。一般来说，低温热管中的液体流动面积比采用其它工质的动面积要大。如果液膜太厚的话，由于低温流体导热系数很低，会大大增加热管径向的温度梯度。

5. 3 安全及经济性

选择工质时除考虑上述因素外，还应考虑安全性及经济性。低温热管由于在常温环境存放时其工质温度已超过临界点，热管壳体内压力很大，因此在设计热管时可选用ρι／Mg较小的工质，以减小存放时的内压。对于以传热为主的热管，尽量不采用易燃、易爆和有毒的工质。热管的成本也是需要考虑的重要因素。尽管热管中所用的工质数量较少，但是由它所确定的管壳及管芯材料对热管的成本影响很大。

表2 常用低温工质毒性及安全性[4]

6 低温热管几何参数与结构的设计

壳体是装载工质的密封承压容器，也是热量传递的必经之路，因此壳体应具有足够的强度、与工质相容、传热热阻小、可加工性好、价格便宜等特点。由于低温热管在常温环境存放时其工质温度已超过临界点，热管壳体内压力很大，所以应选用具有较高抗拉极限的材料作为管壳的材质。

热管壳体形状取决于外界与热管间的换热条件，热管承压能力，传热量以及使用要求等。一般来说，根据需要可把热管制成各种形状。但低温热管在常温下要承受巨大的内压，所以壳体一般做成圆形。

6．1 蒸汽腔直径

由于热管在工作过程中管内状态是不断变化的，对热管工作状态的计算一般是取工质的某一工作状态为基础的，取1．355×105h、80K时的饱和状态作为设计工况。热管管径设计的一个基本原则是管内蒸汽速度不超过最大马赫数的百分之二十，这样轴向温度梯度很小，并可以忽略不计，蒸汽的流动可看作不可压缩流体的流动。对于没有毛细芯的重力辅助热管即热虹吸管来说，由于液体自身的重力远远大于液体回流的阻力，因此一般情况下是不会出现毛细极限。根据参考文献[5]：

6．2 管壳壁厚及强度校核

与高温热管相反，低温热管工作时处于低压状态，在环境温度下处于高压。管壳壁厚度必须保证在高压下的强度安全。但也不宜过厚，以免增加管体自身带来的轴向导热和径向热阻的增大。采用参考文献[6]进行计算如下，

式中 l——管壁厚度，mm

6. 3 封头的选用及强度校核

选用耐压性较好的内压半球形封头，采用参考文献[6]进行计算如下，

式中 s——封头厚度，mm

6．4 热管长度

对热管的长度一般并没有限制，结合实际需要，选热管、蒸发段、绝热段以及冷凝段的长度。

7 应用前景展望

热管的概念就是为空间应用的需要而提出来的，由于热管能在零重力下工作，而且没有运动部件，工作可靠，因而特别适合于航天技术上的应用。在星体均温、红外探测器温控等方面常常采用液氨或氟利昂作为工质的热管。低温热管作为冷冻手术器在医疗临床上也有着很好的应用。实验表明，热管手术器比其它手术器有更快的冷冻速度。这种热管手术器的体积较小，质量只有1公斤(连液氮在内)，尖部温度在起动10分钟后可达78K。此外，低温热管与各种制冷机适当藕合，可以提高制冷性能。在地面应用中，由于地球引力场的存在，常常采用的是重力热管(两相热虹吸管)。作为一种小温差、大传热量、高热导的传热技术，低温热管伴随着低温制冷机以及超导技术的发展有着广阔的应用前景。目前我国对于低温热管的研究还很少，特别是理论上各种传热极限对于低温热管性能影响定量计算还很不准确，另外随着大功率低温制冷机需要的增加，对于大传热量和长距离的传热技术的需要是必然的，低温热管应该随着低温制冷技术的发展而有一个良好的发展。

参考文献：

[1]马同泽，候增棋，吴文铣．热管[M]．北京：研学出版社，1983.5.

[2]S．W．纪．热管理论与实用[M]．北京：科学出版社，1983．

[3]化工第四设计院编．深冷手册(上册)[M]．北京：燃料化学工业出版社，1973．9．

[4]李寒亭，华城生．热管设计与应用[M]．上海：化学工业出版社，1987．

[5]庄骏，徐通明，石寿椿．热管与热管换热器[M]．上海：上海交通大学出版社，1989．5．

[6]杨海涛．压力容器的安全与强度计算[M]．天津：天津科学技术出版社，1985．6．

[7]朱建炳，王根生．空间低温热管的设计与实验研究[J]．真空与低温，2000．

[8]赵开涛．深低温热管的设计、制造与应用[J]．低温工程，1990(3)．

[9]吴存真，刘光泽．热管在热能工程中应用[M]．北京：水利电力出版社，1993．10．

基金项目：国家自然科学基金(50006011)；教育部全国优秀博士学位论文作者专项基金(200033)。

作者简介：李炜征(1979-)，男，现在浙江大学低温与制冷专业攻读硕士学位，主要从事低温热管理工作机理的实验研究。