熱管在汽車工程中的應用

冶兆年++盧慧泓++李惠++陳萌

摘 要：本文著重介紹了普通熱管、重力熱管、環路熱管、毛細泵環熱管、傾斜微槽道熱管、脈動熱管工作的基本原理，并描述了熱管的類型及技術發展方向，提供了利用熱管在汽車上進行尾氣余熱回收以及其他部件散熱與能量管理的研究方向。

關鍵詞：熱管 汽車工程 原理 應用

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0031-02

熱管是在20世紀70年代發明的一種較為高效的傳熱器件，它可以在較小的面積下傳遞比傳統材料大的多的熱量。熱管除了因較高的傳熱效率被廣泛應用外，其還擁有結構緊湊、質量小、噪聲低、無傳動元件等獨到之處。如今，熱管已在計算機、汽車工程、醫藥、航天工程、交通工程等方面有著諸多的應用，其已成為當今主要節能減排利用工具之一。

1 熱管的分類與工作原理

從廣義上說，熱管的定義是：器皿的加熱段靠工作液從熱源接收熱能而汽化，攜帶熱能的蒸汽高速運動到容器的凝結段，并將熱能釋放到冷源后凝結，凝結液并不需要外加動力設備的支持，憑借一些較為普通的物理方式如表面張力、地吸引力、離心力、極化電流體動力學力、電滲透壓力等其中的一種充當動力，使凝結液回流到蒸發段進而保持管內液體的連續循環，從而實現傳熱或維持溫度均一的部件。按照以上較為準確的定義，熱管可以稱為“封閉兩相傳熱系統”，即在一個密閉的系統中，依靠液體狀態的改變來傳送熱量的器件。

（1）普通熱管工作原理。

常見的熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋三部分構成，在將管內抽成1.3*（10-1～10-4）Pa的負壓后加注一定的液體工質，使吸液芯（緊貼管壁的多孔毛細材料）中充滿液體工質后再將其密封起來。熱管在軸向上由蒸發段、冷凝段、絕熱段三個部分組成。熱管運轉時，熱管靠近熱源的一端吸收熱量，使其內部吸液芯中的液體工質汽化并在微小壓力的推動下流至冷凝段，在冷凝段釋放熱量后又重新轉變為液體后再沿著吸液芯憑借毛細力的作用重新回到到蒸發段，來實現整個傳熱傳質循環。

（2）重力熱管工作原理。

重力熱管在其軸線方向上是由蒸發段、絕熱段、冷凝段組成，但在一些情況下可以沒有絕熱段。重力熱管在工作原理上與普通熱管有著一定的差異，因為它在管內不具有毛細吸液芯的接口，所以他的蒸發段在冷凝段的下方，工質在蒸發段加熱后氣化后變成氣態，氣態工質再在冷凝段冷卻成液態，由于重力的作用，工質又返回到蒸發段，工質完成整個循環這也是其稱為重力熱管的原因。管內工質由于在蒸發段被加熱，上升到冷凝段放熱，又由于重力的作用回到蒸發段，這樣就可以實現熱量的流動。由于在汽化潛熱階段需要傳遞的熱量較多，顯熱方式所傳遞的熱量已經無法滿足，因此，金屬棒在相同尺寸的的條件下，重力熱管表現出的傳熱能力就顯得十分優越，所以它是一種高效的換熱元件[1]。

（3）環路熱管工作原理。

環路熱管是一種憑借毛細抽力來驅動工質運動的熱管，本質上也是利用工質的相變傳熱的進行循環的環路系統，是由熱管衍變成的一種分體式傳熱裝置。相比于其他熱管，它的特別之處在于毛細芯結構只在蒸發器中存在，且蒸發器和冷凝器是并不是直接相連的，可以根據需要安放蒸汽管路和液體管路，因此環路熱管應有更好的適應性。另外，它還具有導熱能力強，等溫性好，有著較長的傳熱距離且安全系數較高等優點，在宇宙飛船熱控以及電子元件散熱等方面得到了廣泛應用，且在高熱流密度散方面域平板型環路熱管比傳統的圓柱型環路熱管有著更理想的效果[2]。

（4）脈動熱管工作原理。

脈動熱管也可以被稱為彎曲毛細管熱管、震蕩熱管、自激振蕩流熱管等，其在運行原理和傳熱特性等方面與普通熱管有著較大的差異，取消了毛細芯依靠脈動波進行冷凝液的回流，可以應用于小空間高熱流密度的散熱，具有結構簡單，廉價，傳熱性能優越可適性強的優勢。常見的脈動熱管有回路型、開路型、帶單向閥的回路型等，其中沒有閥門部件的回路型脈動熱管更具性價比。

（5）傾斜微槽道熱管工作原理。

傾斜微槽道熱管則因其槽道可以較好的加強傳熱能力[3]。按照工質的差異其通?？梢苑譃?，以去離子水普通熱管、納米流體熱管和自濕潤流體熱管。去離子水熱管換熱性能是最為普通的熱管，其只可以通過結構的改變如加裝翅片等來改善熱管的換熱性能。納米材料的特殊性質使納米流體熱管換熱性能得到了較大的提升，其按照溶質的不同分為氧化鋅納米流體、二氧化硅納米流體、三氧化二鋁納米流體和二氧化鈦納米流體等。可以通過單步法或者兩步步法制作納米流體，單步法是在制備納米流體的過程中，將納米流體顆粒分散到液體中，納米粒子和納米流體同時制備完成，它適合制備在空氣中易變質的材料，制備的納米流體體量較小且價格昂貴；兩步法是先得到納米粒子后再將納米粒子溶入液體中制備納米流體，這種方法的經濟型較好且較為方便。

2 熱管技術在汽車工程中的應用

熱管作為一種新型的傳熱部件，其傳熱性能和傳熱極限均比普通材料優越，在汽車發動機等諸多部件上可以起到很好的傳熱以及余熱利用效果。

（1）熱管在汽車尾氣排放中的應用。

在發動機的尾氣中含有較高的熱量，熱管良好的散熱性可以在此利用，可將被尾氣攜帶的熱量收集后傳送到空調加熱器中，利用其熱量在寒冷天氣時對車內空氣進行加熱為車內人員提供較舒適的乘車環境。燃料燃燒所產生總熱量的30%～40%被汽車發動機廢氣帶走，可以利用此熱量降低空調在加熱時的能耗。吉林大學王新竹研究了一種依靠汽車尾氣溫度變化大、流速較高、密度低而導致取熱困難、熱回收率低的特性設計了一種通過熱管利用汽車尾氣產生的溫差進行發電的機器[4]，其熱回收效率可以達到13.3%。

（2）熱管在汽車相關部件散熱中的應用。

除了發動機以外，在汽車各個零部件中還有許多部件需要進行散熱處理。例如車用大功率發光二極管燈，它的散熱性能對其亮度和壽命有著較大的影響。羅靜在2011年對熱管在大功率汽車前照燈散熱設計應用[5]中提出了較好的方案。在熱度較高的新能源汽車中，電池的熱管理系統也需要熱管提供幫助，這就需要熱管通過一系列程序對電池進行溫度控制，以期達到最好的電池性能。

參考文獻

[1] 于濤.重力熱管的制造及傳熱性能測試[D].山東大學，2008.

[2] 蓋東興.小型平板環路熱管的實驗研究與系統仿真[D].華中科技大學，2009.

[3] 鮑然，劉振華.傾斜微槽道熱管中納米流體的應用[J].航空動力學報，2010（6）：38.

[4] 王新竹.基于熱管的軸向層疊式汽車尾氣溫差發電裝置研究[D].吉林大學，2016.

[5] 羅靜.大功率LED汽車照燈散熱設計[J].汽車工程師， 2011（3）：28-29.endprint