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    热管正常工作的必要条件

      热管现在对于我们来说已是非常之熟悉,它在PC散热得到了广泛普及的应用,其原理也很好理解,是一种利用相变过程中要吸收/散发热量的性质来进行冷却的技术。


    热管工作流程示意图

      典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成,将管内抽成一定负压后充以适量的工作物质(工质),使紧贴管内壁的吸液芯毛细孔中充满液体后加以密封。当热管一端受热时毛细芯中的工质蒸发汽化,蒸汽在微小压差下流向另一端放出热量后凝结成液体,液体再沿多孔材料借助毛细力和重力流回蒸发端,如此循环不断传递热量。


    热管的基本构造

      一般来说,热管中的工质需要根据工作温度区间进行选择,对于PC散热,考虑到成本因素,厂商们一般选择的是纯水和部分添加剂。不过看到有同学说,我剪开热管为什么没有看到液体?

      实际上热管里的工质是很少的,过多的话会引发液体阻塞现象,导致冷凝端无法正常工作,当然过少也不好,流体无法将毛细结构孔隙填充,造成热管蒸发端局部干燥。热管的直径、毛细结构、热管长度都会直接影响到液体的填入量。最常见的直径6mm长度15cm的热管其工质装填量大约为0.5毫升,而且都填充在毛细孔中,所以就算剪开热管也不会看到有液体流出。

      著名科学家Cotter为热管学奠定了理论基础,一般称之为Cotter理论,其中提到了热管正常工作的必要条件:

        △Pc ≥ △Pl + △Pv + △Pg

      热管内的流体流动属于汽-液两相逆流流动,其中蒸汽从蒸发段流向冷凝段会产生压力降△Pv,冷凝液体从冷凝段流回蒸发段会产生压力降△Pl,而重力场对液体流动也会产生压力降△Pg(可以是正值,是负值或为零,视热管在重力场中的位置而定)。△Pl+△Pv+△Pg形成了工质回流的阻力,而热管中工质的循环动力是靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头,也就是△Pc。


    热管传热中存在各种极限

      △Pv和△Pl一般随热负荷的增加而增在,主要受工质的黏度、密度、质量流量、热管长度、多孔物质渗透系数等影响,而△Pc则由吸液芯结构决定的,如毛细孔半径越小△Pc越大。毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的,如果由毛细力作用抽回的液体不能满足蒸发所需的量,便会出现蒸发段的吸液芯干涸,蒸发段管壁温度剧烈上升,甚至出现烧坏管壁和热源的现象,这就是常见的毛细极限

      显然我们今天不是来学习如何去计算△Pc/△Pv/△Pl这些数据,只关心△Pg这一项,由重力场引起的对液体流动产生的压力降。当蒸发端位于冷凝端之上时,工作的液体回流时还必须克服重力的影响,当然冷凝端在上面时,重力会加速液体的回流。


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