热管和热交换器

什么是热管？

 热管 是一种传热装置，具有极高的等效热导率。热管是抽真空的密封容器，横截面通常为圆形，容器内回填少量工作流体。它是完全被动的系统，没有任何运动部件，可将热量从热源传到散热器，并尽量减小温度梯度，也可用于实现表面均温。

热管如何工作？

通过工作流体的蒸发与冷凝。蒸发器输入热量后，工作流体汽化，在管内形成压力梯度。这会推动蒸汽沿管道流向更冷的区域，在那里蒸汽冷凝，并释放汽化潜热。随后，工作流体通过多孔芯结构中的毛细力或重力作用返回蒸发器。

热管有什么用途？

热管用于各种应用——凡是需要在尽量小的温度梯度下传递热量的场合都可以使用热管，目的包括增大散热器尺寸、将散热器移至较远位置，或用在需要等温表面的地方。典型应用包括：计算机处理器散热、等温炉衬、航空航天热传递。

典型热管的热导率是多少？

热管不像固体材料那样具有固定的热导率，因为它采用两相传热。相反，它的等效热导率会随长度增加而增大。一根 12 英寸热管和一根 4 英寸热管，如果都传递 100 W，它们的温度梯度大致相同。因此，12 英寸热管的等效热导率更高。与固体材料不同，热管的等效热导率会随传递功率的变化而变化，也会受蒸发器和冷凝器尺寸影响。等效热导率的范围可以是铜的等效热导率的 10 到 10,000 倍（4,000 W/(m·K) 至 4,000,000 W/(m·K)），具体取决于热管的长度。

热管可以用哪些材料制造？

热管的管壁或外壳材料选择取决于与工作流体的相容性。热管工作流体的选择基于应用场景的工作温度范围。确定工作流体后，再根据管壁或外壳材料与工作流体之间的化学相容性选择材料，以防止工作流体与热管管壁或外壳材料之间发生腐蚀或化学反应。热管内部工作流体与管壁材料之间的化学相容性问题可能会引发化学反应，产生不凝性气体。热管内的不凝性气体可能会导致运行失效。

热管的主要传热限制有哪些？

热管的四种基本传热限制为：

毛细极限： 这是芯体结构的最大毛细泵送压力，用于将工作流体从热管冷凝器输送到蒸发器。毛细泵送压力必须克服热管内三种基本压降，即蒸汽压降、液体压降，以及重力/体积力压降。

沸腾极限： 当超过最大径向热流密度（W/cm²）时，会出现沸腾极限。这会导致工作流体汽化速率超过液态冷凝液从热管冷凝器段回流的速率。达到沸腾极限时，没有液态工作流体可用于吸收热量，热管会进入干涸状态，无法工作。

声速极限： 工作流体蒸汽从热管蒸发器流向冷凝器的最大流量。 当蒸汽流量超过声速时， 由于流量受限，热管将无法等温工作。

携带极限： 当蒸汽在蒸汽-毛细芯界面从蒸发器流向冷凝器时，蒸汽剪切力会导致夹带液滴，并将其带到冷凝器段，就会发生这种情况。超过携带极限可能会阻止工作流体从冷凝器段返回蒸发器段。因此，热管将无法工作。

热管可靠吗？

是的，主要原因是它们没有运动部件。它们适用于航空航天等不便维护的应用。热管失效的主要原因是热管内产生气体。但通过正确的清洁和装配流程，可以完全避免这种情况。伊顿是全球唯一一家可以宣称拥有超过 40 年热管可靠性和寿命测试数据的热管制造商。

热管贵吗？

与铝挤压型材和铸造散热器等传统（且效果较弱）的传热方法相比，热管的初始成本可能更高。因此，对于可以用简单导热散热器实现冷却的应用，不建议使用热管。在要求更严苛的应用中，热管的总体成本与其他替代方案相比具有竞争力。初始成本也可在一定程度上通过系统可靠性的提升以及电子器件在更低温度下运行而带来的寿命延长来抵消。若是大批量采购，热管成本会显著下降，并且常常成为冷却应用中最具经济性的解决方案。

热管能否逆重力工作？

可以。当蒸发器位于冷凝器上方时，就会出现这种情况。在这些应用中，工作流体必须逆重力回流到蒸发器。这一过程通过毛细芯结构实现，即通过多孔毛细芯产生的毛细压力来泵送工作流体。毛细芯结构的孔径半径越小，热管逆重力运行的能力就越强。（可提供纳米级毛细芯。）

并非所有类型的被动传热都能逆重力工作。热虹吸管与热管类似，但没有毛细芯结构，只能在重力辅助条件下工作。

热管使用哪些工作流体？

热管工作流体的范围很广，从用于低温热管应用的有氦气和氮气，乃至用于高温散热的有钠和钾等液态金属。用于电子冷却的常见热管工作流体包括氨、水、丙酮和甲醇。伊顿在制造采用上述所有工作流体的热管方面具有经验，覆盖从低温应用到高温（>1,000 °C）应用。

水热管在低于 100 °C 时如何工作？

在大气压下，水在 <100 °C沸腾，但在热管内部，水不处于大气压环境。热管内部压力为流体在对应流体温度下的饱和压力。热管中的流体在高于其冰点的任何温度下都会沸腾。因此，在室温（20°C）下，水热管处于部分真空状态，一旦输入热量，热管工作流体就会开始沸腾。

热管会结冰吗？

会。热管工作流体（包括水）的常规冰点保持不变。在温度升至高于工作流体冰点温度之前，热管不会运行。不过，设计得当的热管不会因工作流体的冻结或解冻而受损。伊顿已成功设计、开发并制造耐冻热管，这些热管已 有20多年的经验证且经证明的现场应用经验。

你们可以提供哪些热交换器报警功能？ 底气何在？

可在每台热交换器中集成温度控制、速度控制和风扇故障报警。可通过安装固态控制板 和/或将功能集成到风扇本体来实现这些功能。

伊顿如何密封 Eaton HXi® 热交换器系列的核心组件？

伊顿使用 RTV 密封胶，在内芯盒和核心法兰组件周围形成连续的密封垫。每个内芯盒和核心法兰组件都要进行真空测试，以模拟 NEMA 4 条件。

HX®  的散热片是否可以做涂层，以用于环境防护？

可以。常用涂层为六价铬酸盐涂层，或符合 RoHS 标准的透明铬酸盐涂层。可为热交换器增加 Herresite 或 E-Coat 等涂层，为设备提供环境防护（有最低订购量要求）。

HX®、HXi® 和 HXc® 技术有什么区别？

每种技术在尺寸、效率、定制适配性和功率能力方面各有优势。请让伊顿评估您的应用，以便推荐合适的解决方案。

你们提供定制设计吗？

伊顿采用多种技术，提供充分优化的定制解决方案，同时也提供标准产品。

你们是否能提供计算机生成的模型，展示你们的热交换器在我的应用中将如何运行？

可以。伊顿可使用 CFD（计算流体力学）程序，例如 smartCFD ，对热交换器的性能进行建模。

为什么我们应该从伊顿购买热交换器？

理解整个热回路对产品成功至关重要。伊顿具备在元件级、板级和系统级设计与制造热管理解决方案的能力。