揭秘！弯曲对热管性能的影响：理论计算与实验测试研究

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本期给大家带来的是关于弯曲对热管性能的影响研究内容，希望对大家有帮助。

热管的概念最初是由美国工程师R.S.高格勒在1942年提出。然而，这一早期工作当时未被广泛重视，直到1963年独立发明并命名了热管，该技术才开始受到广泛关注。‌

导热管是一种具有高导热性的传热装置。利用工作流体的潜热在一个非常小的温度变化梯度上有效地传热。

可弯曲热管是一种新型的热管理设备，在制造后可以弯曲。因为热管内部独特构造，比如灯芯由烧结铜毡制成，提供了热管的可弯曲特性。

热管通过循环蒸发和工作流体的凝结，将热量从源头传递到水槽。

利用工作流体蒸发的潜热来传递热。热管不需要任何外部能量来工作。

热管基本概念可以通过一个简单的圆柱形金属外壳来演示，用一个灯芯覆盖内表面（图1）。

图1-典型热管的构造和运行原理示意图

灯芯通常是由一种多孔的材料制成的，也可以使用凹槽结构。内部的工作流体可以给灯芯良好润湿特性。

如果忽略蒸汽和重力头的动能压力损失，可以将工作流体的性质组合定义为M，它的值决定了该热管的最大可能热传递量（通俗来说就是解热能力）。

其中，

ρ1=液相中工作流体的密度

σ1 =工作流体的表面张力

μ1 =液相工作流体的动力粘度

L=热管的长度

顺便说下，这个值以及热管的热阻，可以找供应商获取。

热管大致分为蒸发区、绝热区和冷凝区三个部分。如图1所示的典型热管有蒸发区部分从源头吸收热量。蒸发区吸收的热量导致工作流体的相从液体变成蒸汽。

蒸发区中的压力增加使蒸汽从蒸发区部分排出，并通过绝热部分移动，然后蒸汽到达冷凝区域，在那里冷凝排斥流体的潜热，通过毛细管泵送作用，将冷凝液体泵回到蒸发区。

只要有足够的蒸汽压和毛细管压力，该流体回路会重复运行。

可弯曲的热管

毛细管泵送热管是一种最有效的，且非常简单的装置。典型的热管是一种易于制造、生产成本低的圆柱形直管。

但是，在实践中，很少有空间可容纳直的热管。热管的大小通常取决于它所承受的热负荷。由于缺乏足够的空间，需要可以弯曲的热管，以适配受限的空间。

此外，它还允许紧凑和灵活的整体系统设计。热管的典型应用包括台式机和笔记本电脑，以及汽车上的变速器和发动机冷却系统。其他电子元件，如电路板、变压器和电源，也是常见的应用。

计算机、电子仪器和汽车的尺寸不断缩小，严重限制了热管的物理尺寸。

图2.-柔性低温热管

可弯曲热管面临的两个主要挑战是灯芯变形和蒸汽流动通道减少。

有资料显示：内置无支撑的灯芯，弯曲产生不可接受的结果。通过弯曲0°、90°和180°三个角度，研究弯曲对热管性能的影响。

数据表明，轴向温度梯度显著增加，但热管功能没有损失。

构造和弯曲

热管为直的圆柱形结构。只有某些类型的管芯可用于弯曲的热管，因为管芯有在弯曲时与容器壁有分离倾向。

这种分离有两个不利影响，假设弯曲发生在绝热部分，如在本研究中的情况。

首先，蒸汽面积将会减少，从而降低传热能力，其次，液体回流到蒸发区的路径将会中断。

如果弯曲角度严重，灯芯会折叠，甚至在极端情况下撕裂。比如，由烧结的金属粉末制成的灯芯在弯曲的情况下会开裂。

虽然其他由金属筛网制成的灯芯也可以与支撑弹簧一起工作，但与金属毡灯芯热管相比，筛网灯芯热管具有明显较小的热输送能力和毛细管限制。

在对这种热管的测试成功后，可以对多个弯管进行进一步的研究。测试了几种弯曲半径为18.18mm的弯曲角度（15°、30°、45°、60°和90°）。

弯曲中心位置的热管横截面的一系列照片如下。

图3.-由于弯曲导致的热管壁附近的管芯分离

如图3(a)-(f)所示，可以看出45°后与壁的分离没有明显增加。

另外，如图4(a)-(b)所示切割一根90°弯曲的热管，观察到灯芯没有因内外壁的拉伸和褶皱而受损。

图4.-对热管壁和管芯的弯曲效应

从图4(c)-(e)可以看出，热管弯曲部分的内外壁因弯曲和拉伸而变形。工作流体很容易被困在由于灯芯与容器壁分离所产生的缝隙中。

与灯芯相比，这种工作流体膜具有较低的导热率，它减少了向热管的传热。因此，变形只能在绝热部分可接受，而在冷凝区和蒸发区部分不能接受。

实验测试

热管性能测量，热导率是热阻的倒数。作为一种数据缩减方法与材料的热导率测量方法相似。

热管在其工作长度上承受着一个热负荷。蒸发区连接到一个热源，（通常）是一个加热块，并由加热器供电，其电源输入由一个受调节的电源控制器控制。用恒温水循环器从冷凝区提取热量。

该设置图如图5所示。

图5-热管测试设置

使用安装在蒸发区和冷凝区端上的两个热电偶记录不同功率的温度情况。

启动冷水机组后，允许整个热管达到稳定的20°C，以确保所有测试在同一起点。

然后将电源以均匀的增量供应给加热器，并监测热管的温度，直到达到稳定状态并保持至少15分钟。

环境温度保持在20-23°C之间，以使所有试验的损失保持在大致相同的水平。

测试的两个热管被指定为HP1和HP2。

第一组测试在HP1上进行，包括水平和垂直重力辅助方向测试，在垂直重力辅助方向弯曲15°、30°、45°、60°和90°，弯曲半径为18.18mm。

第二组测试在HP2上进行，包括水平方向和不利重力的方向，可以消除由轴向静水压降引起的影响。

在垂直重力辅助位置，轴向静水压降是毛细管泵送压力的一个重要组成部分。

在水平和垂直不利重力方向的测试意味着热管仅在毛细管泵送压力上工作。弯曲结构的示意图如图6所示。

图6.-弯曲配置示意图

结果

每个弯角的最大铜等效导热值，如下表1所示。

表1.-HP1和HP2的最大铜当量值

温度变化与输入功率的关系曲线图如图7、图8和图9所示。

图7.-垂直方向不同弯曲角度-HP1的△T

从图7中可以看出，随着弯曲角度的增加，轴向温度下降趋势增大。HP2在水平方向上也有类似的趋势，但连续弯曲角度的升高相对较低，如图8所示。

图8.-水平方向上不同角度-HP2的△T

这是由于没有轴向静水压降。图9显示了HP2在垂直方向上对温度下降的影响，它与图7中HP1的趋势相同。温度升高的可能原因是由于灯芯的变形。

图9.-垂直方向不同弯曲角度-HP2的△T

在计算热管弯曲部分的能量损失时，发现其能量损失非常低，实际上不能影响毛细管极限。

这可以通过考虑蒸汽流的雷诺数来解释。所有试验的蒸汽流均为层流，雷诺数在10~900之间。

低密度和高粘度使弯曲处离心力造成的预期损失最小化，因此摩擦压降可以忽略不计。

随着蒸汽密度的增加，雷诺数的增加，在较高功率时弯曲损失增加。可弯曲热管的结果是令人满意的，因为发现热管在所有方向上都工作良好，弯曲角度甚至可达到90°。