小温差热管的传热问题研究(2)
1.2热管的应用领域
热管技术问世以来，以其诸多的突出的优点被广泛用于工业、农业、宇航、电子、冶金等领域，应用面很广。
一． 热管技术在宇航科技中的应用
热管一直是航天器热控系统的关键技术。自1970年以来，我国已发射的50多颗空间飞行器上均将热管作为核心热控技术，热管重量占飞行器总重量的2%，足见其在航天器热设计中的重要地位。随着航天器的不断发展，针对轴向槽道性能改进工作也仍在不断开展，目标是取得更高的传热性能，更高的稳定性，并实现热管尺度的微小型化。依照中国空间技术研究院的发展计划，近期开展了多项涉及两相传热技术的研究课题，主要包括：高功率密度器件散热技术、新型微小型热控技术研究、环路热管可靠性增长、空间热排放能力控制技术研究、高功率密度载荷的喷雾冷却热控技术研究等。其中涉及到的热控硬件技术主要包括：环路热管、微型热管、大传热能力热管、深冷热管和环路热管、可变热导热管等。其中部分技术已经基本成熟，可展开式辐射器已经完成原理样机或工程样机；喷雾冷却技术及分散热源热控技术研究目前处于起步阶段。[1]
二． 热管技术在电力电子设备方面的应用
电力电子设备的高效散热一直是现代传热技术的主要应用之一。电子元器件可靠性的改善，功率容量的增加以及结构的微小型化等都直接取决于器件本身热控制的完善程度。近年来，电子技术迅速发展，电子器件的高频以及集成电路的密集和小型化，使得单位容积电子器件的发热量快速增大。电子器件正常的工作温度范围一般为-5— +65℃，超过这个范围，元件性能将显著下降，不能稳定工作，因而也势必影响系统运行的可靠性。研究和实际应用表明，单个半导体元件的温度每升高10℃，系统的可靠性将降低50%。
图1.2-1电子器件故障发生率与温度的关系
因此电子技术的发展需要有良好的散热手段来保证。随着电子电路集成化程度和各种大功率电子器件容量的增加，加上电子器件或装置体积越来越小，散热装置本身本身必须完成的散热要求也越来越高。同时，散热装置的布置和设计遇到的约束也越来越严重。1980至1999年之间，电子器件的散热热流密度增加了12倍。以微电子芯片为例，目前一般已达到60至90W/cm2，最高已达200W/cm2.传统的依靠单相流体的对流换热方法和强制风冷方法只能用于热流密度不大于10W/cm2的电子器件，对于这种情况已显得无能为力。
图1.2-2近几年CPU的预计发热量
因此，必须研究和开发新的散热手段以适应有高热流密度散热要求的场合。由于热管技术具有极高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温特性环境的适应性等优良特点，可以满足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热率、不需要文修等要求。因此热管技术已在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果。[2]
一． 热管技术在冬季取暖的作用
无压热管锅炉体系是将锅炉做为热管蒸发器，用散热器做为冷凝器。在锅炉内加入复合介质（一经加入永不再加）代替水做为传热工质，它同水暖系统从外观上没有什么区别，运行的方式也没有什么本质的区别，但功能原理则有本质的不同，水暖系统是带压运行，通过水和循环水泵实现单项循环，无相变循环，它要求系统内必须充满水不能亏水。热管采暖系统则是负压状态下运行，40℃时开始相变，从液体变成气体，通过散热器散热冷凝后变成液体，再回到锅炉内加热成气体循环往复称为相变循环，整个系统管都是空的，它只要在锅炉内加一定量的液体即可，参加系统循环的只是其中的一小部分，其余大部分液体不参与系统循环，只是为保护锅炉安全。所以说凡是能够达到真空相变的我们称之为热管锅炉。也就是说真空相变的传热方式就是热管的特性，其充分条件就是形成封闭的真空压力系统，其必要条件就是冷凝液能回返到蒸发器。热管传导技术彻底克服了水供暖的气阻、腐蚀、易冻的诸多问题。具有一下四个优点：一.节能环保、经济实用、高效节能、免文修、投资小、运行费用低、节省燃料30%、节电70%、节水100%、 低噪音、无排放。二.安全可靠、运行方便、负压运行及多重安全保护功能。三.效率更高、寿命更长、锅炉传热效率高、换热效率高、综合效率高、无腐蚀、不结垢使用寿命长。四.抗冻性好、升温极快、–40℃不冻可实现间歇式供暖，40℃时相变换热，升温速度极快，等特点。利用热管技术进行冬季供暖比起传统的水系统供暖有了革命性的进步。[3]