热管技术的原理应用与发展
马永昌
荣信电力电子股份有限公司，辽宁鞍山高新区科技路108号，114051，
picc33@163.com
Heat Pipe Technology Application and
Development
Ma Yong-chang
Rongxin Power Electronic Co., Ltd., China
No.108 keji Road,High-Tech Zone,Anshan City, PR China,114051,
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ABSTRACT: Heat pipe technology is a heat conduction
innovation emerged in 1960s, of which the heat conduction
capability is superior to all other existing metal. Heat pipe plays
very important role in heat sink manufacturing industry. In this
paper, the working principle, characteristic, category,
compatibility, workmanship and application of heat pipe is
introduced.
KEY WORD: heat pipe technology, pipe shell, pipe core,
Refrigerant
摘要：热管技术是20世纪60年代出现的一种传热新技术，
其导热能力超过任何已知金属的导热能力，在散热器制造行
业占有重要的地位，本文从热管的基本原理、特性、类别、
相容性、热管的制造及加工工艺和热管的应用与发展等几个
方面对热管技术作一简要的阐述。
关键词：热管技术、管壳、管芯、工质
0.引言
热管传热利用了热传导原理与致冷介质的快速
热传递性质，通过热管将发热物体的热量迅速传递
到热源外。采用热管技术使得散热器即便采用低转
速、低风量电机，甚至不需风机，完全采用自冷方
式，同样可以得到满意的散热效果，使得困扰风冷
散热的噪音问题以及大功率电力模块散热问题得到
良好解决，开辟了散热行业的新天地。
1.热管的基本工作原理
1.1工作原理 物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存
在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的
现象。热传递有三种方式：辐射、对流、传导，其
中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管
两端温度差很大，使热量快速传导。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，
充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管
壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为
蒸发段（简称热端），另外一端为冷凝段（简称冷
端），当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速
蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且
释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料
靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量
由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，
热量可以被源源不断地传导开来。
1.2组成与工作过程 典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管
内抽成1．3×(10-1－－－10-4)Pa的负压后充以适
量的工作液体，使紧贴管内壁毛细多孔材料中的吸
液芯充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热
段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两
段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯
中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一
端，放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛
细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量由热
管的一端传至另—端。热管在实现这一热量转移的
过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：
(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸
液芯传递到（液－－汽）分界面；
(2)液体在蒸发段内的（液－－汽）分界面上蒸发；
(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；
(4)蒸汽在冷凝段内的汽－－液分界面上凝结；
(5)热量从（汽－－液）分界面通过吸液芯、液体和
管壁传给冷源；
(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体
回流到蒸发段。
1.3工作条件
图1热管管内汽-液交界面质量流、压力 和温度沿管长的变化示意图 图1表示了热管管内汽-液交界面形状，蒸气质
量、流量、压力以及管壁温度Tw和管内蒸气温度
Tv沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽-液交
界处的汽相与液相之间的静压差都与该处的局部毛
细压差相平衡。
热管正常工作的必要条件是△ Pc ≥ △Pl +△ P v
+△ Pg
其中△ Pc：毛细压头—是热管内部工作液体循
环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的
压力降△Pv，冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力
降△Pl，和重力场对液体流动的压力降△Pg(△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)。
2.热管的基本特性
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热
的传热元件，具有以下基本特性。
2.1很高的导热性
热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，
热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、
铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量
级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差
总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管
的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热
极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改
善(径向热管除外)。
2.2优良的等温性
热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压
力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段
所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，
温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。
2.3热流密度可变性
热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面
积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷
却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输
入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可
以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传
热难题。
2.4热流方向可逆性
一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动
力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，
而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇
宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先
放热后吸热的化学反应容器及其他装置。
2.5热二极管与热开关性能
热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管
就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反
的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度
时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，
热管就不传热。
2.6恒温特性(可控热管)
普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变
化而变，因此当加热量变化时，热管各部分的温度
亦随之变化。近年来出现了另一种新型热管——可
变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降
低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热
量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现
温度的控制，这就是热管的恒温特性。
2.7环境的适应性
热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热
管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手
术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离
或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以
用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。
3.热管的分类
由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热
管在结构、材质和工作液体等方面各有不同之处，
故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有以下
几种。
(1)按照热管管内工作温度区分热管可分为：低温热
管(—273－－－0℃)、常温热管(0—250℃)、中温
热管[250－－－450℃)、高温热管(450一1000℃)
等。
(2)按照工作液体回流动力区分热管可分为：有芯热
管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、重力辅助
热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热
管、渗透热管等等。
(3)按管壳与工作液体的组合方式划分(这是一种习
惯的划分方法)可分为：铜—水热管、碳钢—水热管、
铜钢复合—水热管、铝—丙酮热管、碳钢—萘热管、
不锈钢—钠热管等等。
(4)按结构形式区分可分为：普通热管、分离式热管、
毛细泵回路热管、微型热管、平板热管、径向热管
等。
(5)按热管的功用划分可分为：传输热量的热管、热
二极管、热开关、热控制用热管、仿真热管、制冷
热管等等。
4.热管的相容性及寿命
热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，
管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理
变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相
容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相
容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期
的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢－水热管正
是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的
化学反应问题，才使得碳钢—水热管这种高性能、
长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使
用。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热
管不相容的主要形式有以下三方面，即：产生不凝
性气体，工作液体热物性恶化，管壳材料的腐蚀、
溶解。
(1)产生不凝性气体：
由于工作液体与热管材料发生化学反应或电化
学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体
被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使
有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化，传
热能力降低甚至失效。
(2)工作液体物性恶化：
有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生分解，
这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与热
管壳体材料发生化学反应，使工作介质改变其物理
性能，如甲苯、烷、烃类等有机工作液体易发生该
类不相容现象。
(3)管壳材料的腐蚀、溶解：
工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、
杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻
力增大，使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，
引起强度下降，甚至引起管壳的腐蚀穿孔，使热管
完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。
5. 热管制造
热管的主要零部件为管壳、端盖(封头)、吸液
芯、腰板(连接密封件)四部分。不同类型的热管对
这些零部件有不同的要求。
(1)管壳
热管的管壳大多为金属无缝钢管，根据不同需
要可以采用不同材料，如铜、铝、碳钢、不锈钢、
合金钢等。管子可以是标准圆形，也可以是异型的，
如椭圆形、正方形、矩形、扁平形、波纹管等。管
径可以从2mm到200mm，甚至更大。长度可以从几
毫米到l00米以上。低温热管换热器的管材在国外
大多采用铜、铝作为原料。采用有色金属作管材主
要是为了满足与工作液体相容性的要求。
(2)端盖
热管的端盖具有多种结构形式，它与热管连接
方式也因结构形式而异。端盖外圆尺寸可稍小于管
壳。配合后，管壳的突出部分可作为氩弧焊的熔焊
部分，不必再填焊条，焊口光滑平整、质量容易保
证。
旋压封头是国内外常采用的一种形式，旋压封
头是在旋压机上直接旋压而成，这种端盖形式外型