热管散热器的特性及应用探讨

刘笑 许正泓 于守春

摘 要 近一个世纪以来，人们对“超导”持续怀有热情，无论是电的超导体还是热的超导体。电的超导体，我们相对比较熟知，而热的超导体却很少有人能做出准确第一反应。所谓热的超导是20世纪中叶以后才问世的一种叫法，现在我们广泛的知道这就是热管原理。本文主要介绍热管散热器的特性和实际应用，希望通过此文让大家对热管有一个较为深入的了解，在以后工作中能抓住诉求，做出最合理的散热方案选择。

关键词 热管散热器;特性;实际应用

引言

人们在19世纪初发现了电的超导方法，即对某种导体而言，在温度和内部电感都小于一个特定数值时，导体的电阻骤降并趋近于零。但是直到20世纪中叶，人们才研究出热的超导方式——热管。热管的命名是由一家美国公司定义的，他们研发出一种散热器，并最终测得导热性极大的优于铜和银。就以最初的试验样品而言，其导热性是金属银的几百倍，可见热管的发明对于散热领域而言，是具有划时代意义的。这种“超导散热器”一经发明，迅速在军工、卫星等高科技领域应用开来。

1热管散热器概述

热管是一个真空密闭容器，热管散热器的“管”一般采用铜或不锈钢，相变介质一般选用液氮、水和钠、钾等。现在人们习惯用空调器中的结构名词，将热管分为蒸发端和冷凝端。在蒸发端，也可称为加热端，热管内介质受热蒸发，蒸发后液态介质变为气态，流向热管的另一端，管的另一端为冷凝端，也可称为放热端，介质蒸汽在冷凝端液化放热，再次变回液态，回流蒸发端，如此快速的完成一个循环。因为热管内是真空状态，所以内部介质的沸点大大降低，蒸发也更为容易，所以热管内的循环是高效而迅速的[1]。

2热管散热器的特性和应用

热传递的方式有3种：热传导、热辐射和热对流。一般情况下，电器元件的内部最高温度不允许超过150摄氏度，出于设计余量的考虑一些有技术优势的企业将最高温度的设计值定在135℃。而环境的最高温度一般考虑为40℃或45℃。电器元件不是“慢产热”，所以其主要的散热方式是热传导和热对流。一般我們使用Q=△T·A·K的公式计算热量，如果时间一定，那么可以认为只有增大散热面积A，才能更多的散热。所以热管散热器在管上也设置有很多等间距的翅片，也叫肋片，来帮助散热。想必至此，大家对热管散热器已经有了形象的认识，下面我就其特性和在我司所在的轨道交通行业中的应用，做进一步阐述。

2.1 热管散热器突出的三大特性

从上文所述的热管散热器工作原理和结构特点可以看出其具有热的超导特性、高等温性和热流体密度的变换性。在热管散热器中，热传递主要是依靠管内介质的相变，进而实现热对流，完成的热量传递。这种热传递的速度比仅靠导热金属内部原子的热运动的速度快得多，如果在80℃以上的高温或超高温场合，其导热速度能达到金属铜的几万甚至几十万倍，正是因为其对热的超导性，人们广泛称热管为热的超导体;热管的表面温度是由内部介质的蒸汽气温决定的，管内热量增加时，压力也随时升高，因为热管为密闭空间，这就使得热量和压力总是相关变化，使得管内的温度保持高等温特性，而且越是有变化，等温性越好;热管内蒸发端和冷凝端，总是处于热管的两端，我们可以认为这两种相变是分离开的，所以可以高效的实现热流密度的快速变换。一端热量密度增大时，这一端蒸发或冷凝的面积也随着增大，面积增大热流密度也就相应变小。这就是热管散热器热流密度的变换性。

2.2 热管散热器在轨道交通行业的应用

因为我公司所在行业的原因，所以我对热管散热器在轨道交通行业的应用比较熟悉。热管散热器如今已经被广泛应用于高铁、动车、地铁以及各类机车上。机车、地铁上采用的热管散热器一般有两种冷却方式，一种是走行风冷，一种是强制风冷。走行风冷，就是有效的利用机车、地铁行进时的风进行冷却。强制风冷，就是在热管散热器平行于翅片的地方设置风机，进行强制冷却。从热管散热器的结构来看，也可分为两种，一种是间接冷却，一种是直接冷却。间接冷却是指发热元器件与热管散热器相对独立，两者的结合是通过螺钉螺栓安装固定的。另一种则较为复杂，实现难度也比较高，是把产热的元器件直接浸泡在绝缘液体中，形成一个封闭的腔室，腔室的外表面附有翅片。这种复杂结构的构想，是希望通过直接沸腾传递并带走热量，所以也被称为沸腾冷却。但事实表明，这种直接沸腾的冷却方式从各方面来看，都不如间接冷却。尤其是用于IGBT和SIC冷却的热管散热器，间接冷却的优势则更为明显，实测数据来看，其热阻值在0.01℃/W附近。武汉的城市地铁几乎都采用这种间接冷却的方式，而且绝大多数是走行风冷的形式。设计师在密闭的变流箱体上开了一个仅适合热管散热翅片探出的开口，热管的一端和冷却基板相连，另一端从这个开口处伸出，冷却基板外侧与箱体的开口处有密封硅胶圈，两者通过机械结构紧密贴合，并保证内部气密。这种方式使得冷却基板上IGBT产生的热量和箱体内部的热量能够高效得被带入到箱体外部，而箱体外部的雨、雪、风、沙、粉尘等杂物无法进入变流箱体内，据现场实测，这样的设计，箱体内外的温度差仅为12℃，武汉地铁的业主也对此非常满意[2]。

3结束语

热管散热器从20世纪中叶，被一家美工公司研发制造出来至今，已经有近70年的时间。而我国的热管散热器起步比较晚，大概直到1991年我国才具有标准化生产热管散热器的能力。虽然起步比较晚，但是由于我国有庞大的市场需求，所以热管散热器在我国的发展可谓迅猛。1996年一家上海公司制造的热管散热器顺利装车试运行，1997年我国制定了《电力半导体器件用热管散热器》的国家标准，21世纪初，上海成立了多家专业的热管散热器的公司，同时期，依托原苏联研究院和日本公司技术的多家位于辽宁鞍山的热管散热器公司成立。这给我国热管散热器行业注入了活力，也使得我国热管技术进入高速发展通道。正如我们在液晶屏、5G技术、汽车、大飞机等领域飞速发展，甚至是弯道超车一样，相信我国的热管技术也会很快赶超美日，居于世界前列。

参考文献

[1] 李春阳，陆国仁.电动车组与铁路客运[J].铁道运输与经济，1985 （7）：66.

[2] 陶生桂，董东甫.热管散热器在机车变流装置中的应用[J].内燃机车，2002（7）：17-19.