汞熱管研究和應用發展情況

衛光仁 閆 傲 薛松齡

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

0 引言

熱管技術起源于美國Los Alamos 國家實驗室的George Grover 發明的一種傳熱元件[1]，是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它充分利用熱傳導原理與相變介質的快速傳遞性質，將大量熱量通過很小的截面遠距離地傳輸而無需動力，因為，熱管是以潛熱的形式進行傳熱，所以，其傳導熱量的能力遠超任何已知金屬。 隨著科技水平的不斷提高，熱管的研究應用范圍不斷拓寬，各種類型熱管廣泛應用于航天、核工業、化工、電子信息等領域。

汞在523～873K 溫度范圍內具有很好的熱力性能，是傳輸性能較好的工質，汞熱管成為熱管領域前沿研究方向之一[2]。 熱管選用工質的溫度上限受限于相應的飽和蒸汽壓力，壓力對熱管的強度要求具有決定性的影響，而汞熱管具有很低的飽和蒸氣壓[3]。 按照熱管的運行溫度進行分類可分成4～200K 范圍的低溫熱管，200～700K 范圍的中溫熱管以及700K 以上的高溫熱管。 中高溫熱管的工作介質均是液態金屬，對于追求高性能的航天、核工業等尖端領域，汞熱管的研究使用不可或缺， 但汞熱管的加工制造極其困難，且汞蒸氣的泄露會對人體造成極大傷害，因此，汞熱管沒有得到廣泛的應用。

1 汞的性質及蒸發相變效應

汞是銀白色閃亮的重質液體， 常溫下即可蒸發，汞蒸氣和汞的化合物多有劇毒。 汞外部有80 個電子，最外層的軌道上有2 個電子， 可稱為惰性電子對，他們的存在使得汞原子無論獲得或失去電子都需要很高的能量，這一點使其化學性質穩定，不溶于酸也不溶于堿。

液體的揮發性和飽和蒸氣壓成正比，與其他金屬相比，汞具有很大揮發性。 表層的液體分子都具有向外部逃逸的趨勢，當分子逃脫控制范圍，變成氣體分子的一部分，這些氣體又會反過來作用在液體上產生壓強，達到平衡時這種壓強即為飽和蒸氣壓。 汞原子間作用力較小，會很容易脫離變成氣體，脫離的越多，飽和蒸氣壓就越大，這是汞易揮發的原因。

2 汞熱管的基本特性及工質的選擇

2.1 汞熱管的基本特性

汞在523～873K 溫度范圍內的飽和蒸氣壓比水小幾個數量級，但汞熱管的加工制造極其困難，且少量的汞蒸氣泄露就會對人體造成極大傷害，因此，汞熱管的使用受到了限制。

對于追求高性能的尖端傳熱領域來說， 汞熱管具有強大的優勢：（1）汞熱管與銀、銅等金屬相比具有更高的導熱性， 汞熱管蒸發器中的熱量傳遞到工質并導致毛細管結構表面的工質汽化， 這部分汽化會導致蒸發器中的局部蒸汽壓力增加， 同時推動汽化蒸汽流向冷凝器，從而傳輸汽化潛熱，單位重量的汞熱管可多傳遞幾個數量級的熱量；（2）汞熱管可以在與熱源接觸的區域靈活配置散熱片；（3）熱量可以遠距離傳輸，而溫度變化很小；（4）熱量傳輸過程依靠毛細芯產生的毛細力， 無需其他動力或移動部件即可抽出冷凝液；（5）環境的適應性強，在零重力環境下運行不受影響。

2.2 熱管工質的選擇

汞對金屬的浸潤性很差，應在全部保溫條件下運行一定時期，在汞內加有0.7%的鈦和5.4%的鎂可提高其浸潤性。 特定的工質只能在某些溫度范圍內起作用， 同樣特定的工質需要兼容的容器材料以防止流體與容器之間發生腐蝕或化學反應， 腐蝕會損壞容器，產生不凝性氣體，因此，選擇適當的工質，熱管可以在很大的溫度范圍內運行傳熱。 有許多影響熱管性能的參數，例如，材料的兼容性、工作溫度范圍、熱傳輸限制、熱阻、工作方向、尺寸和幾何約束等。 在微型熱管中， 最大傳熱能力主要受毛細管壓力的支配[4]。 所有熱管具有3 個共同的物理元素，這些包括外部容器， 工質體和毛細管芯結構。 在功能上熱管由3個部分組成：蒸發器、冷凝器和絕熱區域。

工質的選擇還必須基于發生在熱管內的熱力學與熱流的各種限制，例如，粘性、聲波、毛細管、夾帶和核沸騰水平。 在熱管設計中，高表面張力值是理想的，以便熱管能夠克服重力作用并產生較高的毛細驅動。除了高表面張力外，工作流體還必須浸潤吸液芯和容器材料，即接觸角應為零或很小。 在工作溫度范圍內的蒸氣壓必須足夠大以避免蒸氣速度過高，而蒸氣速度往往會造成較大的溫度梯度和導致流量不穩定。 為了傳遞大量的汽化潛能，需要高的汽化潛熱。 熱量以最小的流體流量通過，從而保持熱管的較低壓降。 應優選高熱導率的工質，使徑向溫度梯度最小化并減少壁表面沸騰。 流體流動阻力可通過選擇蒸氣和液體黏度較低的流體，將其最小化。

工質的選擇取決于以下6 個方面的考慮： 工作溫度，汽化潛熱，液體粘度，毒性，工質與容器材料的兼容性，芯吸系統設計和性能。表1 列舉了典型熱管流體的沸點和潛熱與比熱的比較， 可以看出汞具有很高的沸點， 同時具有極高的潛熱與比熱比。 汞的汽化潛熱為295 kJ/kg，密度為13.59 g/cm3，冷凝一升水在常壓下的汽化熱為 2 257.1 kJ，而冷凝 1 L 汞為 3 747 kJ，相比同等體積下的水傳熱性能更好。

3 汞熱管應用研究進展

3.1 汞熱管的理論研究

Xiuxiang Zhang 等[5]利用瞬態熱網絡模型研究了加熱功率與熱管結構對汞熱管的啟動時間和穩態傳熱性能的影響，結果表明：（1）增加冷凝器的長度有利于減少啟動時間和熱阻； （2）提高加熱功率或壁厚會降低熱阻，但會增加啟動時間并增加孔隙率；（3）增加吸液芯的厚度可能會增加啟動時間。

T Yamamoto 等[6]研究了蒸發器部分的表面溫度變化與由于汞腐蝕引起的容器內表面狀況變化之間的關系，即使采用最高工藝制造的汞熱管，當第一次加熱汞熱管時，蒸發器的表面溫度也會變得很高。 但是30～50 h 后，它將降低到正常水平。 為了檢查原因，對3 個汞熱管進行了實驗，在400℃的蒸氣溫度下，分別將2 個熱管加熱10 h、52 h， 將第3 個熱管在蒸氣溫度范圍為 400～600°C 的條件下加熱約 500 小時，得出改善蒸發器部分內表面的潤濕性所需的時間約為30小時。

T Yamamoto 等[7]還研究了在垂直底部加熱模式下有無篩網芯的情況下，汞熱管之間的傳熱率差異。 帶有大量汞的熱管的運行可能會由于間歇沸騰器劇烈沸騰而導致容器故障，在這項研究中，使用了2 種熱管來研究安裝篩網芯對傳熱速率的影響。 其中一個有2 層絲網狀芯，另一個沒有。 根據這些測試的結果，可以得出結論： 與蒸氣芯相比， 帶有篩網芯的熱管在600°C 的蒸氣溫度下的傳熱速率降低了約30%， 但是間歇沸騰器的沸騰也降低了，因此，用于啟動的操作程序將變得更加安全。

吸液芯的結構和參數對熱管的傳熱能力影響很大，目前，大部分使用絲網芯、金屬氈、槽道及它們的組合形式作為中高溫熱管的吸液芯[8-9]。 汞與大部分金屬吸液芯浸潤性很差，很容易導致毛細力失效，因此，汞熱管吸液芯的選擇較為困難，與汞熱管搭配性能較好的吸液芯有待進一步的開發研究。

3.2 汞熱管的應用研究

熱管應空間核電源而生，在空間核電源領域發揮重要作用。 熱管用以導出堆芯內的核反應熱，一部分熱能轉換成電能為航天器供電，剩余產生的廢熱則由廢熱排放系統排散到宇宙空間。 在核反應堆行業中反應堆是發電的來源，熱管被用作固有停機系統的次級回路的冷卻部分，通常是采用液體熱管，即把汞作為內部的冷卻劑，將熱管澆鑄到冷卻組件的結構中。 美國NASA 的Kilopower 核反應堆周邊布置大量熱管，一部分熱量通過熱管使斯特林發動機發電，其余廢熱通過熱管散放到大氣中。Bahman Zohuri 等[10]從事熱工液壓技術分析和自然循環液態金屬快中子增殖反應堆（LMFBR）堆芯的核反應堆系統（ISHRS），設計了汞熱管用于散熱。

熱管應航天技術的發展而發展，汞熱管的研究對于追求大功率、高穩定性的空間飛行器至關重要。 在航空航天領域，對于所有類型的飛行器均面臨相同的問題，即飛行器的不同側面受太陽照射強度不同導致溫差較大，且無法通過空氣對流調節溫度。 汞熱管可用于飛行器內部設備及外部殼體的散熱冷卻及均溫，減輕熱控系統的重量，且不消耗額外能源，這不僅解決飛行器溫度控制問題，而且解決了航天器熱控遠距離傳熱難題。

4 結語

熱管是熱物理學和熱學的顯著成就之一，其獨特的傳熱能力在余熱回收、節能方面已成為一種有效的既定熱解決方案，特別是在高熱通量、熱負荷不均勻，發熱時氣流受限等情況下。

汞在523～873K 溫度范圍內， 具有很低的飽和蒸氣壓，是傳輸性能較好的工質，應用于追求高性能的航天、核工業等尖端領域。

汞的密度很大，相同體積的冷凝液汞所放出的氣化潛熱比水更多，同時，以其作為工質會將使熱管重量增加，增加空間飛行器的負載。

汞是劇毒物質，不僅熱管制造中會產生汞蒸汽危害人體，而且汞與熱管吸液芯材料浸潤性不好，會導致毛細力失效， 啟動需要長時間保溫且較難成功，值得開展進一步的研究。