汞热管研究和应用发展情况

卫光仁 闫 傲 薛松龄

（中国原子能科学研究院，北京 102413）

0 引言

热管技术起源于美国Los Alamos 国家实验室的George Grover 发明的一种传热元件[1]，是人们所知的最有效的传热元件之一，它充分利用热传导原理与相变介质的快速传递性质，将大量热量通过很小的截面远距离地传输而无需动力，因为，热管是以潜热的形式进行传热，所以，其传导热量的能力远超任何已知金属。 随着科技水平的不断提高，热管的研究应用范围不断拓宽，各种类型热管广泛应用于航天、核工业、化工、电子信息等领域。

汞在523～873K 温度范围内具有很好的热力性能，是传输性能较好的工质，汞热管成为热管领域前沿研究方向之一[2]。 热管选用工质的温度上限受限于相应的饱和蒸汽压力，压力对热管的强度要求具有决定性的影响，而汞热管具有很低的饱和蒸气压[3]。 按照热管的运行温度进行分类可分成4～200K 范围的低温热管，200～700K 范围的中温热管以及700K 以上的高温热管。 中高温热管的工作介质均是液态金属，对于追求高性能的航天、核工业等尖端领域，汞热管的研究使用不可或缺， 但汞热管的加工制造极其困难，且汞蒸气的泄露会对人体造成极大伤害，因此，汞热管没有得到广泛的应用。

1 汞的性质及蒸发相变效应

汞是银白色闪亮的重质液体， 常温下即可蒸发，汞蒸气和汞的化合物多有剧毒。 汞外部有80 个电子，最外层的轨道上有2 个电子， 可称为惰性电子对，他们的存在使得汞原子无论获得或失去电子都需要很高的能量，这一点使其化学性质稳定，不溶于酸也不溶于碱。

液体的挥发性和饱和蒸气压成正比，与其他金属相比，汞具有很大挥发性。 表层的液体分子都具有向外部逃逸的趋势，当分子逃脱控制范围，变成气体分子的一部分，这些气体又会反过来作用在液体上产生压强，达到平衡时这种压强即为饱和蒸气压。 汞原子间作用力较小，会很容易脱离变成气体，脱离的越多，饱和蒸气压就越大，这是汞易挥发的原因。

2 汞热管的基本特性及工质的选择

2.1 汞热管的基本特性

汞在523～873K 温度范围内的饱和蒸气压比水小几个数量级，但汞热管的加工制造极其困难，且少量的汞蒸气泄露就会对人体造成极大伤害，因此，汞热管的使用受到了限制。

对于追求高性能的尖端传热领域来说， 汞热管具有强大的优势：（1）汞热管与银、铜等金属相比具有更高的导热性， 汞热管蒸发器中的热量传递到工质并导致毛细管结构表面的工质汽化， 这部分汽化会导致蒸发器中的局部蒸汽压力增加， 同时推动汽化蒸汽流向冷凝器，从而传输汽化潜热，单位重量的汞热管可多传递几个数量级的热量；（2）汞热管可以在与热源接触的区域灵活配置散热片；（3）热量可以远距离传输，而温度变化很小；（4）热量传输过程依靠毛细芯产生的毛细力， 无需其他动力或移动部件即可抽出冷凝液；（5）环境的适应性强，在零重力环境下运行不受影响。

2.2 热管工质的选择

汞对金属的浸润性很差，应在全部保温条件下运行一定时期，在汞内加有0.7%的钛和5.4%的镁可提高其浸润性。 特定的工质只能在某些温度范围内起作用， 同样特定的工质需要兼容的容器材料以防止流体与容器之间发生腐蚀或化学反应， 腐蚀会损坏容器，产生不凝性气体，因此，选择适当的工质，热管可以在很大的温度范围内运行传热。 有许多影响热管性能的参数，例如，材料的兼容性、工作温度范围、热传输限制、热阻、工作方向、尺寸和几何约束等。 在微型热管中， 最大传热能力主要受毛细管压力的支配[4]。 所有热管具有3 个共同的物理元素，这些包括外部容器， 工质体和毛细管芯结构。 在功能上热管由3个部分组成：蒸发器、冷凝器和绝热区域。

工质的选择还必须基于发生在热管内的热力学与热流的各种限制，例如，粘性、声波、毛细管、夹带和核沸腾水平。 在热管设计中，高表面张力值是理想的，以便热管能够克服重力作用并产生较高的毛细驱动。除了高表面张力外，工作流体还必须浸润吸液芯和容器材料，即接触角应为零或很小。 在工作温度范围内的蒸气压必须足够大以避免蒸气速度过高，而蒸气速度往往会造成较大的温度梯度和导致流量不稳定。 为了传递大量的汽化潜能，需要高的汽化潜热。 热量以最小的流体流量通过，从而保持热管的较低压降。 应优选高热导率的工质，使径向温度梯度最小化并减少壁表面沸腾。 流体流动阻力可通过选择蒸气和液体黏度较低的流体，将其最小化。

工质的选择取决于以下6 个方面的考虑： 工作温度，汽化潜热，液体粘度，毒性，工质与容器材料的兼容性，芯吸系统设计和性能。表1 列举了典型热管流体的沸点和潜热与比热的比较， 可以看出汞具有很高的沸点， 同时具有极高的潜热与比热比。 汞的汽化潜热为295 kJ/kg，密度为13.59 g/cm3，冷凝一升水在常压下的汽化热为 2 257.1 kJ，而冷凝 1 L 汞为 3 747 kJ，相比同等体积下的水传热性能更好。

3 汞热管应用研究进展

3.1 汞热管的理论研究

Xiuxiang Zhang 等[5]利用瞬态热网络模型研究了加热功率与热管结构对汞热管的启动时间和稳态传热性能的影响，结果表明：（1）增加冷凝器的长度有利于减少启动时间和热阻； （2）提高加热功率或壁厚会降低热阻，但会增加启动时间并增加孔隙率；（3）增加吸液芯的厚度可能会增加启动时间。

T Yamamoto 等[6]研究了蒸发器部分的表面温度变化与由于汞腐蚀引起的容器内表面状况变化之间的关系，即使采用最高工艺制造的汞热管，当第一次加热汞热管时，蒸发器的表面温度也会变得很高。 但是30～50 h 后，它将降低到正常水平。 为了检查原因，对3 个汞热管进行了实验，在400℃的蒸气温度下，分别将2 个热管加热10 h、52 h， 将第3 个热管在蒸气温度范围为 400～600°C 的条件下加热约 500 小时，得出改善蒸发器部分内表面的润湿性所需的时间约为30小时。

T Yamamoto 等[7]还研究了在垂直底部加热模式下有无筛网芯的情况下，汞热管之间的传热率差异。 带有大量汞的热管的运行可能会由于间歇沸腾器剧烈沸腾而导致容器故障，在这项研究中，使用了2 种热管来研究安装筛网芯对传热速率的影响。 其中一个有2 层丝网状芯，另一个没有。 根据这些测试的结果，可以得出结论： 与蒸气芯相比， 带有筛网芯的热管在600°C 的蒸气温度下的传热速率降低了约30%， 但是间歇沸腾器的沸腾也降低了，因此，用于启动的操作程序将变得更加安全。

吸液芯的结构和参数对热管的传热能力影响很大，目前，大部分使用丝网芯、金属毡、槽道及它们的组合形式作为中高温热管的吸液芯[8-9]。 汞与大部分金属吸液芯浸润性很差，很容易导致毛细力失效，因此，汞热管吸液芯的选择较为困难，与汞热管搭配性能较好的吸液芯有待进一步的开发研究。

3.2 汞热管的应用研究

热管应空间核电源而生，在空间核电源领域发挥重要作用。 热管用以导出堆芯内的核反应热，一部分热能转换成电能为航天器供电，剩余产生的废热则由废热排放系统排散到宇宙空间。 在核反应堆行业中反应堆是发电的来源，热管被用作固有停机系统的次级回路的冷却部分，通常是采用液体热管，即把汞作为内部的冷却剂，将热管浇铸到冷却组件的结构中。 美国NASA 的Kilopower 核反应堆周边布置大量热管，一部分热量通过热管使斯特林发动机发电，其余废热通过热管散放到大气中。Bahman Zohuri 等[10]从事热工液压技术分析和自然循环液态金属快中子增殖反应堆（LMFBR）堆芯的核反应堆系统（ISHRS），设计了汞热管用于散热。

热管应航天技术的发展而发展，汞热管的研究对于追求大功率、高稳定性的空间飞行器至关重要。 在航空航天领域，对于所有类型的飞行器均面临相同的问题，即飞行器的不同侧面受太阳照射强度不同导致温差较大，且无法通过空气对流调节温度。 汞热管可用于飞行器内部设备及外部壳体的散热冷却及均温，减轻热控系统的重量，且不消耗额外能源，这不仅解决飞行器温度控制问题，而且解决了航天器热控远距离传热难题。

4 结语

热管是热物理学和热学的显著成就之一，其独特的传热能力在余热回收、节能方面已成为一种有效的既定热解决方案，特别是在高热通量、热负荷不均匀，发热时气流受限等情况下。

汞在523～873K 温度范围内， 具有很低的饱和蒸气压，是传输性能较好的工质，应用于追求高性能的航天、核工业等尖端领域。

汞的密度很大，相同体积的冷凝液汞所放出的气化潜热比水更多，同时，以其作为工质会将使热管重量增加，增加空间飞行器的负载。

汞是剧毒物质，不仅热管制造中会产生汞蒸汽危害人体，而且汞与热管吸液芯材料浸润性不好，会导致毛细力失效， 启动需要长时间保温且较难成功，值得开展进一步的研究。