一種兼具熱泵功效的高效熱管裝置設計

范顯旺，劉佳麗，王 欣，徐亞巍，羅 潔

（江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013）

熱管順溫度梯度傳熱的局限性[1]導致傳統的熱管散熱無法滿足特殊散熱環境下向高溫環境的散熱需求。近年來，國內外關于熱管研究較多，尤其是關于熱管和熱泵的結合[2]。熱管的導熱效果不好，不能自發地把熱量從高溫端傳向低溫端，其研究原理主要集中于將熱管的內外部進行強制對流換熱化處理[4]，很少改造熱管內部結構。本文擬設計一種兼具熱泵功效的高效熱管裝置，可在逆溫度梯度下高效傳熱，提高熱管的功能和實用性，可滿足各種特殊散熱場合中的恒溫狀態要求，具有較好的應用前景。

1 新型熱管的設計

1.1 設計思路

本文擬設計的新型熱管利用熱泵原理使其在逆溫度梯度下也能傳熱。對熱管的內部進行改裝設計，加入壓縮與節流部分，即需要熱管輸入一定的動力實現。但熱管內部一旦有壓縮機存在，順溫度梯度下工作液的流動阻力增加，即傳熱極限減小，原熱管的最大傳熱量大大降低。為此，應控制壓縮機出氣口的壓力，使其在順溫度梯度工況下常開，類似風機起到動力源的作用，使熱管的傳熱極限增大，又可強化傳熱。

理論上，改造過的新型熱管在順、逆溫度梯度下均可傳熱，在某些自身系統產生熱量但需要保持恒溫狀態的特殊環境下，與外界環境相比時，無論處于低溫端，還是高溫端，都能向外界傳遞熱量。

1.2 工作原理

逆溫度梯度傳熱時，壓縮機氣體從左側流出，右側出口關閉，此為常規壓縮機功能；順溫度梯度傳熱時，壓縮機氣體從右側流出，左側出口常開，單向閥處于工作狀態。利用壓縮機出氣裝置的不同來實現壓縮機的不同功能，使熱管兼具順、逆溫度梯度均可傳熱的特點。

新型熱管的示意如圖1所示，其中，實線箭頭方向為制冷劑的流動方向，依次是：蒸發段→蒸汽腔→壓縮機→冷凝段→高壓氣體區→高壓液體區→液體導流管→節流閥→防氣彎頭→蒸發段；虛線箭頭為制冷劑的流動方向，依次是：蒸發段→蒸汽腔→壓縮機→單向閥→冷凝段→高壓氣體區→高壓液體區→吸液芯→蒸發段。

圖1 新型熱管結構與局部示意

2 新型熱管的工作流程分析

2.1 逆溫度梯度傳熱原理

逆溫度梯度傳熱時，壓縮機正常運行，壓縮機右側出氣口關閉，節流閥前閥門（11）開啟，節流閥旁通處吸液芯閥（10）關閉。在管內充注制冷劑，充注時蒸發吸熱段（2）為滿注式，冷凝放熱段（1）為半滿注式，目的是為氣體冷凝放熱提供足夠的空間。

當熱管工作時，熱管蒸發段（2）在低壓下吸收環境的熱量，工作液受熱而蒸發，蒸汽在壓差的作用下沿蒸汽腔流向活塞式壓縮機，將蒸汽加到一定壓力后釋放到冷凝段（1），蒸汽在冷凝段凝結放出潛熱，冷凝段的液體隨著液體導流管（7）流到帶感溫包的膨脹閥（6），因為高壓液體（4）在壓縮機的推動力會克服膨脹閥的阻力，所以液體會經過膨脹閥進行膨脹減壓，最后流過防氣彎頭（8）直至回到蒸發段（2）形成一個循環；防氣彎頭（8）的作用是防止蒸發段產生的氣體隨著液體導流管進入膨脹閥，影響膨脹閥，故具有一定的彎度，使冷凝端產生的氣體順利進行工作循環。感溫包控制膨脹閥的開度，從而控制通過膨脹閥液體的質量流量，實現較穩定的制冷量，凝結液在壓縮機推動力的作用下流回節流閥，經節流降壓后流回低壓蒸發段。反復循環，不斷地把熱量從低溫向高溫傳遞。

2.2 順溫度梯度換熱原理

順溫度梯度傳熱時，壓縮機左側出氣口（13）關閉，節流閥前閥門（11）關閉，吸液芯閥（10）開啟，壓縮機右出氣口（14）處單向閥（15）開啟。當熱管工作時，熱管蒸發段（2）在低壓下吸收熱量，工作液受熱而蒸發，蒸汽在壓差的作用下沿蒸汽腔流向活塞式壓縮機（9）。當壓縮機吸氣時，壓縮機出口單向閥（15）處于關閉狀態，氣體被吸入，由于壓縮機右出氣口（14）常開，當壓縮機排氣時，壓縮機出口單向閥（11）處于開啟狀態，蒸汽不斷排出，并推向冷凝段（1），蒸汽在推動力下克服沿程阻力流向熱管另一端冷凝段，在冷凝段凝結放出潛熱，熱量通過冷凝段浸滿工作液的吸液芯和管壁傳出，完成熱量從高溫向低溫的傳遞，此時由于節流閥前閥門（11）關閉、節流閥旁通處吸液芯閥（10）開啟，凝結液在壓縮機推動力的作用下通過吸液芯流回蒸發段（2）。反復循環，不斷地把熱量從高溫向低溫傳遞。

3 新型熱管的應用前景

在需要保持恒定溫度狀態的特殊散熱環境下，把冷源直接布置在環境內可能占用空間或者普通熱管無法向更低的環境溫度散熱，不能實現長距離傳熱，使用本項目設計的新型熱管能滿足要求。例如，電子器件內的高精密裝置維持恒溫可用新型熱管把高精密裝置與新型熱管的蒸發段裝在一起，儀器外部與外界環境連接起來，利用新型熱管可在不同溫度梯度下傳熱的特點，維持電子器件溫度濕度的恒定[3]，如圖2所示。

圖2 特殊散熱環境恒溫狀態控制原理

4 存在的問題

在本設計新型熱管中，筆者認為還存在以下問題[4]：（1）可靠性、穩定性有待進一步提升。該系統結構復雜，控制難度大。雖理論上可行，但對壓縮機等元件經行改良時，兩種工況切換步驟較多。（2）經濟性和節能性問題。該系統的經濟性分析要根據新型熱管能效比、壓縮機附加能耗以及用戶熱負荷特點等各方面因素綜合考慮。（3）實用性、自控性問題。熱管和熱泵聯合運行、功能重組，是比較復雜的動態傳熱傳質過程，系統各部件相互耦合使得自控性較復雜。要對其有全面了解，必須進行相應的實驗模擬、軟件模擬等。

5 結語

目前，國內外還沒有相關研究改造熱管內部結構、將熱泵中逆溫度梯度的原理運用到熱管中。隨著對兩者聯合運行模式的研究越來越深入，常規熱管在逆溫度下傳熱存在一定缺陷，本文設計的兼具熱泵功效的高效熱管裝置可以彌補這一缺陷，證明了該新型熱管在理論可行，并可進一步擴大利用率，值得深入研究。