热管效应在液态金属中的应用

热管技术是1963年美国Los Alamos国家实验室的George Grover发明的一种传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外（图8.25），其导热能力超过任何已知金属。

图8.25　一种常规的商用热管实物

热管利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程（即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热），使热量快速传导［16］。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入沸点低、易挥发的适当液体。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再依靠毛细作用沿多孔材料流回蒸发端，如此循环，直到热管两端温度相等（此时蒸汽热扩散停止）。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

高温热管选用工质的使用温度上限，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［16］。必须考虑高温下外壳的机械性能及外壳材料与工质的相互作用，特别是会出现特殊的破损机理，如热腐蚀性疲劳、蠕变断裂、总体腐蚀及晶间腐蚀、液态金属及氢气脆化等，这些过程决定了系统的可靠性及工作寿命。此外，工质及外壳材料的选择还取决于高温热管的制造工艺。在570～870 K范围内，传输最好的工质是汞，但汞热管的制造很困难，且汞蒸汽对人体危害极大，在使用过程中一旦烧毁管壳或发生泄漏均会造成严重后果，因此汞热管的使用受到了限制。此外，工业上应用的高温热管在选用工质时必须考虑价格问题，不同液态金属的价格相差非常大。以往高温热管较多地用于航天尖端技术，为了追求高性能，对工质的成本考虑相对较少。但工业应用的高温热管，成本问题就显得格外重要。目前，Na是最便宜的常用液态金属工质，其次是K。(www.xing528.com)

最常用的高温热管工质是Na、K［17］，钠的熔点为98℃，钾的熔点为63℃。但当钠钾合金的质量百分比为77.12%K和22.18%Na时，有最低熔点-12.13℃。钠钾合金导热系数稍低于纯钠和纯钾，其独特性在于常温下为液态，因此具有下列优点：

（1）充装工质方便，不需熔化。

（2）容易启动、运行安全，由于不会凝固，避免了在启动、工作中蒸发段烧干过热。

（3）可以根据不同的工质温度和工作要求，合理选择钠与钾的配比。