热管换热系统的设计方案

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热管散热器设计方案
热管散热器工作原理
热管技术的原理和普通的散热器不同，热管主要是利用工质的蒸发与冷凝来
传递热量。热管一般是由管壳、吸液芯和工质三个部分组成。将管内抽至较高的
真空度后充以适量的工质，使得紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后
加以密封。热管有两端，分别为蒸发端（加热端）和冷凝端（散热端），两端之间
需要采取绝热措施。当热管的一端受热时（即两端出现温差时），毛细芯中的液体
蒸发汽化，蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材
料依靠毛细作用流回蒸发端。
热管散热器的分类和特点
按照工作温度，热管可以分为：
（1）深冷热管：工作温度范围为(100～200)K，工质可选用氦、氩、氮、氧等。
（2）低温热管：工作温度范围为(200～250)K，工质可选用水、氟利昂、氨、酒精、
丙酮等有机物质。
（3）中温热管：工作温度范围为(550～750)K，工质可选用导热姆A、水银、硫、
铯等物质。
（4）高温热管：工作温度范围大于750K，工质可选用钾、锂、铝、银等高熔点
液态金属。
热管散热器的特点：
（1）利用工质的相变传热，传热能力高。
（2）热管内蒸汽处于饱和状态，均温特性好。
（3）具有可变换热流密度特性。
（4）具有良好的恒温特性。
电子设备热管散热器的设计

1.热管的设计要求
（1）工作温度:根据电子设备、电子器件及整机的温度控制要求，热管的工作温
度一般为-50℃～200℃。
（2）发热量：根据器件的发热功率和工作环境条件确定热管所需传递的功率。
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（3）热特性:按照电子器件发热功率的大小和温度控制的要求（均温、恒温或控
温）来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的几何形状、尺寸。
（4）工作环境:根据电子设备的工作环境条件（如陆地、海面或高空等）来估计
重力场对热管工作的影响，同时确定冷凝端与冷却介质的连接方式。
（5）结构尺寸：根据用户提供的热管外形尺寸、重量等要求进行结构设计。
2.工质选择
（1）选择要求
工质的工作温度范围在工质的凝固点与临界温度之间，以接近工质的沸点为
宜；选用的工质无毒、不易爆、使用安全；工质与管壳材料及吸液芯应相容，对
热管的安全工作和可靠性不产生有害的影响；工质的品质因素高；重力场条件下
的热管，工质的选用应考虑毛细力的提升高度。
（2）适合电子设备用的热管工质有甲烷、氨、氟利昂、丙酮、甲醇、乙醇、庚烷、
水和导热姆A 等。
3.吸液芯的选择

吸液芯的结构和性能是决定热管性能的关键因素。吸液芯的类型主要有均匀吸

液芯和组合式吸液芯。对吸液芯的主要要求是起到一个有效的毛细泵作用，在流
体和吸液芯结构之间产生的表面张力必须大到能克服管内的全部粘滞压降和其他
压降，还要维持所要求的流体循环。因为热管常常要在蒸发段比冷凝段高的重力
场中工作，所以吸液芯把工质提升的高度应等于或大于在蒸发段和冷凝段之间的
最大高度差。这个高度具有矛盾性，一方面为了使吸液芯内粘滞损失最小，希望
毛细孔尺寸大；而另一方面为了提供足够的毛细力和最大提升高度，又希望毛细
尺寸小，应采取毛细尺寸最佳化的处理方法。
除上述工作特性外，还必须考虑以下几方面的要求：
（1）与工质和管壁材料应相容；（2）具有较高的渗透率且传热性能好；（3）应具
有足够的刚性，以保证吸液芯和管壁紧密接触；（4）便于加工，性能可靠，经济
性好。
4.管壳设计

（1）材料

电子设备热管用的管壳材料主要有紫铜、无氧铜、铝合金、不锈钢等。管壳材料
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应与工质相容；湿润性良好；导热系数高；具有足够的机械强度和良好的机加工
性能。
（2）管壳结构
a.壁厚：由于管壳需要承受工质蒸发时所产生的蒸汽压力，因此需对管壳的强度
进行校核，以保证热管安全工作。对于壁厚的要求是传热欲其薄，强度欲其厚。
两者虽有矛盾，但都需考虑，在保证强度的条件下用最薄的。
b.外壁结构：外壁结构可以是光滑的，或者是翅片的，根据需要和可能来决定，
翅片形式可以参考一般散热器的外翅片结构。
c.管壳：管壳多数为圆柱体，封头多数为平板深直口型。管筒和封头之间的连接
用焊接，焊口常用对接。在工以上，氩弧焊和氢保护焊可保证焊接质量。
d.热管的接长：利用环箍热管连接法。将两根被连接的热管的端部，分别插入一
个环箍热管的两端。这样，热管便可通过环箍这个中间热管而传递过去。被连接
热管与环箍热管之间的接触情况和接触面积是影响其热量传递的重要因素。
结束语
电子设备热管散热器的设计首先应根据设计技术要求，选择合适的工质、吸
液芯、管壳，然后进行传热量校核，最后通过试验验证热管散热器设计的合理性。

分离式液—气热管换热器的设计与应用
1前言
分离式热管换热器以其传热效率高、远程传热、现场布置灵活而具特色。其
最大的特点是加热段与冷凝段可以相互独立。以往大部分的分离式热管换热器都
是采用一种热流体同时加热两种或两种以上的冷流体,冷、热流体间多为气—气换
热形式,然而,将二种或两种以上的热流体(液体) 来加热冷流体(气体) ,目前还不
多见。在结构上加热段完全采用普通管板式列管换热器,热流体走壳程;冷凝段为
带有翅片管束的换热器,其翅片管外流经被加热气体,管内通过上升管、下降管与
列管换热器管程构成回路,将其抽成真空状态,充装工质。这样壳程内热流体通过
对流换热将热量传输给管程内的液态工质,工质吸收热量在真空状态下蒸发,蒸汽
沿上升管流至冷段凝结放出汽化潜热将流经翅片管外的气体加热。
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2 结构形式与设计计算方法
根据热管加热段的换热,结构上采用普通管板式列管换热器,热流体流经壳程
管程为热管工质,换热器管程由若干根换热管组成一个单元,每个单元相互独立,
热管的冷凝段则为翅片管换热器,管外流经需要被加热的空气,管内通过若干根上
升管、下降管与列管换热器每个单元管程内构成回路,将其抽成真空状态,充装工
质。其结构如图1。

首先进行热力计算,热流体在壳程被冷却,放出热量Q ,为强化传热壳程布置了一定
数量的折流板,其壳程流体的换热系统可根据公式:
Nu = 0136 Re0．55 Pr1/ 3 (μf μw) 0．14
求出。管程流体的换热系数可通过传热因子jh 导出:
jh = Nu·Pr - 1/ 3·(μf μw) - 0114 (2)
式中μf ———流体粘度;
μw ———流体在壁温下的粘度;
因此,热管热段列管式换热器的总传热系数可以求出,传热面积也可求得,换热管
根数可以确定。壳程液体所放出的热量与管内工质进行换热,工质吸收热量蒸发,
蒸汽沿管内上升,通过上升管输送到热管冷凝段, 在冷凝段管内蒸汽与管外气体
换热,其管外换热系数可根据:
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Nu = 01137 Re016338 Pr1/ 3 (3)
求出,冷凝段总传热系数也随之求得。这样,冷凝段翅片管换热器的传热面积可以
得出, 翅片管数量可以确定。
在结构上,热管加热段为典型的普通管壳式换热器,采用了固定管板形式,壳
体、封头、法兰、支座等均属于压力容器设备的零件,设计、制造按压力容器规程
执行。管板、折流板则按规程要求根据具体情况考虑,管板的厚度选取应考虑到材
料的强度、介质的压力、温度、以及管子的固定方式和受力状况等因素,管壳式换
热器在设计中必须考虑由温差引起的热应力,作出必要的热补偿措施。
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为了使分离式热管换热器正常循环工作,必须克服上升管和下降管中蒸汽及
冷凝液流动所产生的压力损失,该能量来源于冷、热两端换热器之间的高度差和
上升管与下降管内工质的密度差。在系统中,循环工作图见图2 ,其运动压头Syd :
Syd = (ρι - ρe ) gH1 + (ρι - ρv ) gH2 + (ρc - ρv )gH3 (4)
式中ρι———饱和水密度;ρe 蒸发段汽液两相密度;ρc ———冷凝段汽液两
相密度;ρv ———蒸汽密度;
阻力:
ΣΔP = ΔPc + ΔPι+ ΔPe + ΔPv (5)
在稳定流动状态下, 运动压头是和循环回路的总阻力相等的,即达到平衡点:
Syd = ΣΔP (6)
换热器位差愈大, 水循环速度增加, 循环强烈, 流体的速度随之增加,阻力也增大,
重新达到新的平衡:
S′yd = ΣΔP′ (7)
由此可得到换热器之间的最低高差,合理布置换热设备。
工作计划
1) 2012年7月–2012年9月：进一步资料收集、整理、分析、确定热管换热
系统整机技术方案；
2) 2012年10月–2013年2月：完成热管换热装置的模拟计算分析和优化设计，
确定最优的结构参数，加工制作原理样机，并搭建完善实验测试台架；
3) 2013年3月 - 2013年7月：开展原理样机性能测试，与模拟计算结果对比，
分析进一步的优化方案；
4) 2013年8月 - 2013年11月： 确定实验样机的最终方案，包括工艺路线，
工艺材料的选取，加工制作实验样机；
5) 2013年12月 - 2014年3月：实验样机综合性能测试，确定型号；
6) 2014年4月 - 2014年6月：实验样机可靠性、稳定性测试；
7) 2014年7月 课题总结