熱管散熱器的特性及應用探討

劉笑 許正泓 于守春

摘 要 近一個世紀以來，人們對“超導”持續懷有熱情，無論是電的超導體還是熱的超導體。電的超導體，我們相對比較熟知，而熱的超導體卻很少有人能做出準確第一反應。所謂熱的超導是20世紀中葉以后才問世的一種叫法，現在我們廣泛的知道這就是熱管原理。本文主要介紹熱管散熱器的特性和實際應用，希望通過此文讓大家對熱管有一個較為深入的了解，在以后工作中能抓住訴求，做出最合理的散熱方案選擇。

關鍵詞 熱管散熱器;特性;實際應用

引言

人們在19世紀初發現了電的超導方法，即對某種導體而言，在溫度和內部電感都小于一個特定數值時，導體的電阻驟降并趨近于零。但是直到20世紀中葉，人們才研究出熱的超導方式——熱管。熱管的命名是由一家美國公司定義的，他們研發出一種散熱器，并最終測得導熱性極大的優于銅和銀。就以最初的試驗樣品而言，其導熱性是金屬銀的幾百倍，可見熱管的發明對于散熱領域而言，是具有劃時代意義的。這種“超導散熱器”一經發明，迅速在軍工、衛星等高科技領域應用開來。

1熱管散熱器概述

熱管是一個真空密閉容器，熱管散熱器的“管”一般采用銅或不銹鋼，相變介質一般選用液氮、水和鈉、鉀等?，F在人們習慣用空調器中的結構名詞，將熱管分為蒸發端和冷凝端。在蒸發端，也可稱為加熱端，熱管內介質受熱蒸發，蒸發后液態介質變為氣態，流向熱管的另一端，管的另一端為冷凝端，也可稱為放熱端，介質蒸汽在冷凝端液化放熱，再次變回液態，回流蒸發端，如此快速的完成一個循環。因為熱管內是真空狀態，所以內部介質的沸點大大降低，蒸發也更為容易，所以熱管內的循環是高效而迅速的[1]。

2熱管散熱器的特性和應用

熱傳遞的方式有3種：熱傳導、熱輻射和熱對流。一般情況下，電器元件的內部最高溫度不允許超過150攝氏度，出于設計余量的考慮一些有技術優勢的企業將最高溫度的設計值定在135℃。而環境的最高溫度一般考慮為40℃或45℃。電器元件不是“慢產熱”，所以其主要的散熱方式是熱傳導和熱對流。一般我們使用Q=△T·A·K的公式計算熱量，如果時間一定，那么可以認為只有增大散熱面積A，才能更多的散熱。所以熱管散熱器在管上也設置有很多等間距的翅片，也叫肋片，來幫助散熱。想必至此，大家對熱管散熱器已經有了形象的認識，下面我就其特性和在我司所在的軌道交通行業中的應用，做進一步闡述。

2.1 熱管散熱器突出的三大特性

從上文所述的熱管散熱器工作原理和結構特點可以看出其具有熱的超導特性、高等溫性和熱流體密度的變換性。在熱管散熱器中，熱傳遞主要是依靠管內介質的相變，進而實現熱對流，完成的熱量傳遞。這種熱傳遞的速度比僅靠導熱金屬內部原子的熱運動的速度快得多，如果在80℃以上的高溫或超高溫場合，其導熱速度能達到金屬銅的幾萬甚至幾十萬倍，正是因為其對熱的超導性，人們廣泛稱熱管為熱的超導體;熱管的表面溫度是由內部介質的蒸汽氣溫決定的，管內熱量增加時，壓力也隨時升高，因為熱管為密閉空間，這就使得熱量和壓力總是相關變化，使得管內的溫度保持高等溫特性，而且越是有變化，等溫性越好;熱管內蒸發端和冷凝端，總是處于熱管的兩端，我們可以認為這兩種相變是分離開的，所以可以高效的實現熱流密度的快速變換。一端熱量密度增大時，這一端蒸發或冷凝的面積也隨著增大，面積增大熱流密度也就相應變小。這就是熱管散熱器熱流密度的變換性。

2.2 熱管散熱器在軌道交通行業的應用

因為我公司所在行業的原因，所以我對熱管散熱器在軌道交通行業的應用比較熟悉。熱管散熱器如今已經被廣泛應用于高鐵、動車、地鐵以及各類機車上。機車、地鐵上采用的熱管散熱器一般有兩種冷卻方式，一種是走行風冷，一種是強制風冷。走行風冷，就是有效的利用機車、地鐵行進時的風進行冷卻。強制風冷，就是在熱管散熱器平行于翅片的地方設置風機，進行強制冷卻。從熱管散熱器的結構來看，也可分為兩種，一種是間接冷卻，一種是直接冷卻。間接冷卻是指發熱元器件與熱管散熱器相對獨立，兩者的結合是通過螺釘螺栓安裝固定的。另一種則較為復雜，實現難度也比較高，是把產熱的元器件直接浸泡在絕緣液體中，形成一個封閉的腔室，腔室的外表面附有翅片。這種復雜結構的構想，是希望通過直接沸騰傳遞并帶走熱量，所以也被稱為沸騰冷卻。但事實表明，這種直接沸騰的冷卻方式從各方面來看，都不如間接冷卻。尤其是用于IGBT和SIC冷卻的熱管散熱器，間接冷卻的優勢則更為明顯，實測數據來看，其熱阻值在0.01℃/W附近。武漢的城市地鐵幾乎都采用這種間接冷卻的方式，而且絕大多數是走行風冷的形式。設計師在密閉的變流箱體上開了一個僅適合熱管散熱翅片探出的開口，熱管的一端和冷卻基板相連，另一端從這個開口處伸出，冷卻基板外側與箱體的開口處有密封硅膠圈，兩者通過機械結構緊密貼合，并保證內部氣密。這種方式使得冷卻基板上IGBT產生的熱量和箱體內部的熱量能夠高效得被帶入到箱體外部，而箱體外部的雨、雪、風、沙、粉塵等雜物無法進入變流箱體內，據現場實測，這樣的設計，箱體內外的溫度差僅為12℃，武漢地鐵的業主也對此非常滿意[2]。

3結束語

熱管散熱器從20世紀中葉，被一家美工公司研發制造出來至今，已經有近70年的時間。而我國的熱管散熱器起步比較晚，大概直到1991年我國才具有標準化生產熱管散熱器的能力。雖然起步比較晚，但是由于我國有龐大的市場需求，所以熱管散熱器在我國的發展可謂迅猛。1996年一家上海公司制造的熱管散熱器順利裝車試運行，1997年我國制定了《電力半導體器件用熱管散熱器》的國家標準，21世紀初，上海成立了多家專業的熱管散熱器的公司，同時期，依托原蘇聯研究院和日本公司技術的多家位于遼寧鞍山的熱管散熱器公司成立。這給我國熱管散熱器行業注入了活力，也使得我國熱管技術進入高速發展通道。正如我們在液晶屏、5G技術、汽車、大飛機等領域飛速發展，甚至是彎道超車一樣，相信我國的熱管技術也會很快趕超美日，居于世界前列。

參考文獻

[1] 李春陽，陸國仁.電動車組與鐵路客運[J].鐵道運輸與經濟，1985 （7）：66.

[2] 陶生桂，董東甫.熱管散熱器在機車變流裝置中的應用[J].內燃機車，2002（7）：17-19.