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热管技术及应用:可变导热管构造

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发表于 2020-6-30 10:17:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
热管技术是20世纪60年代出现的一种新型传热技术,其导热能力远远超过任何已知金属的导热能力,在电子设备、航天航空等前沿科技领域扮演重要角色。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。
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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。
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图2 可变导热管基本构造
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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。
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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。
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图5 主动反馈控制VCHP
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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。

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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布




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