加热板的发展历史

利用重力(通常分为两相热虹吸管)产生热管的历史可以追溯到蒸汽时代。毛细驱动热管的现代概念是由通用汽车公司的RS Gaugler首先提出的,这个想法在1942中获得了专利。它是由乔治·格罗弗于1963年在洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的,然后发表在1964年的《应用物理杂志》上。格罗弗在他的笔记本上指出:

通过毛细运动的传热流体的表面张力的“泵”作用可能足以将液体从低温区移动到高温区(然后返回以蒸汽形式作为两个温度下的驱动力的差),以从热冷区传递热量。这种封闭系统不需要外部泵,并且感兴趣的蒸汽压力可以移动到来自反应堆堆芯的辐射热特别感兴趣的空间。反应堆系统的力必须在重力的情况下,只有当它克服毛细管并拖动蒸汽通过它的通道。”

1964和1966年,RCA是第一家研发热管商业应用的公司(虽然他们的工作主要由美国政府资助)。在20世纪60年代末,美国国家航空航天局在热管的发展中发挥了重要作用,并根据Grover的建议,资助了大量关于太空飞行后热管应用和可靠性的研究。美国国家航空航天局吸引人的热管冷却系统是可以理解的,使其重量轻,热通量高,零功耗。然而,他们的主要兴趣是基于系统在零重力环境下工作时不会受到不利影响的事实。热管在热平衡卫星转发器中的首次应用。卫星轨道,一面暴露在太阳的直接辐射下,另一面完全黑暗,暴露在极深的寒冷太空中。这将导致应答器严重的温度偏差(以及可靠性和准确性)。为此目的设计的热管冷却系统管理高热通量,并且在重力的影响下不会表现出完美的操作。冷却系统是第一个可变热管,用于主动调节蒸发器的热流或温度。

Feldman,Eastman和Katzoff在1967和1968的出版物首先讨论了热管的应用领域,政府的关注和分类,如空调,发动机冷却系统和电子冷却,在高温下没有下降。这些文献还首次提到了弹性、动脉和扁平热管。首次讨论了出版物1969中介绍的旋转热管概念及其在涡轮叶片冷却中的应用和热管在低温中的应用。

从20世纪80年代开始,索尼开始在消费电子产品中引入热管、部分地方强制对流和被动鳍片散热器的冷却方案。起初,他们使用的调谐器和放大器很快蔓延到其他高热流电子产品。上世纪90年代末,微型计算机日益激烈的CPU之争促使热管在美国的专利申请量增加了两倍。热管作为一种专业化的工业传热元件,是从美国到亚洲的消费品中开发和生产的。现代CPU热管通常由铜制成,并使用水作为工作流体。

格罗弗和他的同事们正在极端温度条件下研究核动力电池航天器的冷却系统。热管广泛用于航天器,作为管理内部温度的一种手段。

具有散热片的热管广泛用于许多现代计算机系统中,其中增加的功率需求和随之增加的热辐射导致对冷却系统的更大需求。热管通常用于将热量从散热器散发到环境中的CPU和GPU的组件,例如

热管也广泛用于太阳能利用和水加热应用以及真空管太阳能收集器阵列的组合中。在这些应用中,蒸馏水通常用作真空玻璃管和面向太阳的密封铜管中的传热流体。应用太阳能热水加热与个人吸收管真空集热管可以提供高达40%的效率比传统的“平板太阳能集热器”。这主要是因为有一根减缓对流和传导热量损失的管子的存在,以及管子内部的真空。真空管道系统的相对效率降低,因为与“平板”集热器相比,平板集热器具有更大的孔径尺寸,并且每单位面积可以吸收更多的太阳能。这意味着尽管单个真空管具有更好的绝缘(低水平传导和对流损失),但是由于管中产生的真空,发现完成的太阳能电池模块阵列的管每单位面积吸收更少的能量,并且该面积被指示是因为由于太阳能真空集热管的圆形设计而具有更少的吸收表面。所以两种设计在现实世界中的效率是差不多的。

真空管集热器降低了需要添加防冻添加剂的真空,有助于减缓热量损失。但长时间暴露在冻结温度下的传热流体仍会冻结,在设计中必须采取预防措施,保证冻结的液体不会损坏真空管。设计的太阳能热水器可以防冻到-3℃以上,有特殊的添加剂,用于加热南极的水。

建筑的永久冻土层是困难的,因为永久冻土层从结构的热量中融化。为了避免不稳定的风险,在某些情况下,使用热管。比如在跨阿拉斯加管道系统的残余地热油中,以及在管道支撑腿的支撑锚固和运动石油的摩擦和湍流造成的融化冻土中。这将导致管道下沉,并可能损坏。为了防止这种情况,在每个垂直支撑构件上安装了四个垂直热管。

青藏铁路沿线,也可用于热管散热。路基和轨道吸收太阳的热量。两侧垂直热管的形成防止了热量进一步扩散到周围的地面。

公司通过能量转换系统研发的第一款商用热管产品“热魔烹饪针”于1966首销。烹饪针用水作为工作流体。外壳内有不锈钢,内铜层的兼容性。在操作过程中,热管穿过烘烤印章。管子的一端延伸到它的吸热中间烘箱。热管的有效导热系数高,将大块肉的烹饪时间缩短了一半。

这个原理已经应用到野营炉,野营之类的地方,利用大量的热量低温烘烤物品,烹饪其他菜肴。这方面的一个例子是Bakepacker系统。

在供暖、通风和空调系统中,空调和热管位于空气处理系统中,用于供应和排放空气流,或者位于工业过程中的废气范围内,以回收热能。

该装置由一个电池组成,电池中带有多排翅片的热管位于送风和排风的气流中。在热管的排气侧内部,其制冷剂的热量蒸发,而空气则从其中提取。制冷剂蒸汽移动到管的冷端,并被供应到空气侧的设备,在那里冷凝并放出热量。重力和毛细管中燃烧核心的作用相结合,使冷凝的制冷剂受益。因此,热量从排出的气流传递到穿过管壁的制冷剂,然后从穿过管壁的制冷剂的供应气流传递。

由于这种器件的特性,可以获得更高的效率。当该单元安装在排气侧并垂直定位在供气侧时,这允许快速流动的液态制冷剂在重力作用下返回蒸发器。一般来说,总传热效率高达75%的制造商声称

自20世纪90年代初以来,许多核反应堆电力系统提出使用热管在热反应堆堆芯和电力转换系统之间转移第一个核反应堆产生的电力[13],在13,2012年9月演示了首次使用平顶裂变的操作。

热管必须适应特定的冷却条件。管道的材料、尺寸和冷却剂都是为了使热管在最佳温度下工作而选择的。

当加热超过一定温度时,热管内的工质不会全部蒸发冷凝。在这种情况下,具有导热性的固体金属壳有效地降低了热管的导热性。由于热管的材质大多为铜(导热系数较高的金属),过热的热管通常会以约1/80的原始导热系数继续发热。

此外,在一定温度下,工作流体不会发生相变,导热系数会降低到固体金属外壳。选择工作流体的关键标准之一是应用所需的工作温度范围。下限温度通常高于工作流体的冰点几度。

由于材料的限制(虽然可以做1.6mm的薄片),大部分厂家都可以做直径不小于3mm的传统热管。实验已经在微型热管上进行,使用具有尖锐边缘的管,例如三角形或菱形管。在这些情况下,锐边通过毛细作用输送流体,不需要燃烧芯。