热管在汽车工程中的应用

冶兆年++卢慧泓++李惠++陈萌

摘 要：本文着重介绍了普通热管、重力热管、环路热管、毛细泵环热管、倾斜微槽道热管、脉动热管工作的基本原理，并描述了热管的类型及技术发展方向，提供了利用热管在汽车上进行尾气余热回收以及其他部件散热与能量管理的研究方向。

关键词：热管 汽车工程 原理 应用

中图分类号：U461 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0031-02

热管是在20世纪70年代发明的一种较为高效的传热器件，它可以在较小的面积下传递比传统材料大的多的热量。热管除了因较高的传热效率被广泛应用外，其还拥有结构紧凑、质量小、噪声低、无传动元件等独到之处。如今，热管已在计算机、汽车工程、医药、航天工程、交通工程等方面有着诸多的应用，其已成为当今主要节能减排利用工具之一。

1 热管的分类与工作原理

从广义上说，热管的定义是：器皿的加热段靠工作液从热源接收热能而汽化，携带热能的蒸汽高速运动到容器的凝结段，并将热能释放到冷源后凝结，凝结液并不需要外加动力设备的支持，凭借一些较为普通的物理方式如表面张力、地吸引力、离心力、极化电流体动力学力、电渗透压力等其中的一种充当动力，使凝结液回流到蒸发段进而保持管内液体的连续循环，从而实现传热或维持温度均一的部件。按照以上较为准确的定义，热管可以称为“封闭两相传热系统”，即在一个密闭的系统中，依靠液体状态的改变来传送热量的器件。

（1）普通热管工作原理。

常见的热管一般由管壳、吸液芯和端盖三部分构成，在将管内抽成1.3*（10-1～10-4）Pa的负压后加注一定的液体工质，使吸液芯（紧贴管壁的多孔毛细材料）中充满液体工质后再将其密封起来。热管在轴向上由蒸发段、冷凝段、绝热段三个部分组成。热管运转时，热管靠近热源的一端吸收热量，使其内部吸液芯中的液体工质汽化并在微小压力的推动下流至冷凝段，在冷凝段释放热量后又重新转变为液体后再沿着吸液芯凭借毛细力的作用重新回到到蒸发段，来实现整个传热传质循环。

（2）重力热管工作原理。

重力热管在其轴线方向上是由蒸发段、绝热段、冷凝段组成，但在一些情况下可以没有绝热段。重力热管在工作原理上与普通热管有着一定的差异，因为它在管内不具有毛细吸液芯的接口，所以他的蒸发段在冷凝段的下方，工质在蒸发段加热后气化后变成气态，气态工质再在冷凝段冷却成液态，由于重力的作用，工质又返回到蒸发段，工质完成整个循环这也是其称为重力热管的原因。管内工质由于在蒸发段被加热，上升到冷凝段放热，又由于重力的作用回到蒸发段，这样就可以实现热量的流动。由于在汽化潜热阶段需要传递的热量较多，显热方式所传递的热量已经无法满足，因此，金属棒在相同尺寸的的条件下，重力热管表现出的传热能力就显得十分优越，所以它是一种高效的换热元件[1]。

（3）环路热管工作原理。

环路热管是一种凭借毛细抽力来驱动工质运动的热管，本质上也是利用工质的相变传热的进行循环的环路系统，是由热管衍变成的一种分体式传热装置。相比于其他热管，它的特别之处在于毛细芯结构只在蒸发器中存在，且蒸发器和冷凝器是并不是直接相连的，可以根据需要安放蒸汽管路和液体管路，因此环路热管应有更好的适应性。另外，它还具有导热能力强，等温性好，有着较长的传热距离且安全系数较高等优点，在宇宙飞船热控以及电子元件散热等方面得到了广泛应用，且在高热流密度散方面域平板型环路热管比传统的圆柱型环路热管有着更理想的效果[2]。

（4）脉动热管工作原理。

脉动热管也可以被称为弯曲毛细管热管、震荡热管、自激振荡流热管等，其在运行原理和传热特性等方面与普通热管有着较大的差异，取消了毛细芯依靠脉动波进行冷凝液的回流，可以应用于小空间高热流密度的散热，具有结构简单，廉价，传热性能优越可适性强的优势。常见的脉动热管有回路型、开路型、带单向阀的回路型等，其中没有阀门部件的回路型脉动热管更具性价比。

（5）倾斜微槽道热管工作原理。

倾斜微槽道热管则因其槽道可以较好的加强传热能力[3]。按照工质的差异其通常可以分为，以去离子水普通热管、纳米流体热管和自湿润流体热管。去离子水热管换热性能是最为普通的热管，其只可以通过结构的改变如加装翅片等来改善热管的换热性能。纳米材料的特殊性质使纳米流体热管换热性能得到了较大的提升，其按照溶质的不同分为氧化锌纳米流体、二氧化硅纳米流体、三氧化二铝纳米流体和二氧化钛纳米流体等。可以通过单步法或者两步步法制作纳米流体，单步法是在制备纳米流体的过程中，将纳米流体颗粒分散到液体中，纳米粒子和纳米流体同时制备完成，它适合制备在空气中易变质的材料，制备的纳米流体体量较小且价格昂贵；两步法是先得到纳米粒子后再将纳米粒子溶入液体中制备纳米流体，这种方法的经济型较好且较为方便。

2 热管技术在汽车工程中的应用

热管作为一种新型的傳热部件，其传热性能和传热极限均比普通材料优越，在汽车发动机等诸多部件上可以起到很好的传热以及余热利用效果。

（1）热管在汽车尾气排放中的应用。

在发动机的尾气中含有较高的热量，热管良好的散热性可以在此利用，可将被尾气携带的热量收集后传送到空调加热器中，利用其热量在寒冷天气时对车内空气进行加热为车内人员提供较舒适的乘车环境。燃料燃烧所产生总热量的30%～40%被汽车发动机废气带走，可以利用此热量降低空调在加热时的能耗。吉林大学王新竹研究了一种依靠汽车尾气温度变化大、流速较高、密度低而导致取热困难、热回收率低的特性设计了一种通过热管利用汽车尾气产生的温差进行发电的机器[4]，其热回收效率可以达到13.3%。

（2）热管在汽车相关部件散热中的应用。

除了发动机以外，在汽车各个零部件中还有许多部件需要进行散热处理。例如车用大功率发光二极管灯，它的散热性能对其亮度和寿命有着较大的影响。罗静在2011年对热管在大功率汽车前照灯散热设计应用[5]中提出了较好的方案。在热度较高的新能源汽车中，电池的热管理系统也需要热管提供帮助，这就需要热管通过一系列程序对电池进行温度控制，以期达到最好的电池性能。

参考文献

[1] 于涛.重力热管的制造及传热性能测试[D].山东大学，2008.

[2] 盖东兴.小型平板环路热管的实验研究与系统仿真[D].华中科技大学，2009.

[3] 鲍然，刘振华.倾斜微槽道热管中纳米流体的应用[J].航空动力学报，2010（6）：38.

[4] 王新竹.基于热管的轴向层叠式汽车尾气温差发电装置研究[D].吉林大学，2016.

[5] 罗静.大功率LED汽车照灯散热设计[J].汽车工程师， 2011（3）：28-29.endprint