张建春
上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州市545007）
摘要：概述普通热管、重力热管、分离式热管、环路热管、振荡热管等类型热管的工作原理及其应用特点，结合发动机运行过程的散热需求，分析各种类型的热管应用于发动机不同部位进行散热的可能性。
关键词：热管；发动机；散热
20世纪60年代，热管诞生于美国的洛斯?阿拉莫斯科学实验室，它具有传热能力高、等温特性好、恒温特性优、热流密度可变、热流方向的可逆、环境适应性强、无传动元件等优点，在空间技术、电子工业、机械工业、医学、热能工程等领域有广泛应用。
根据结构的不同，热管分为普通热管、重力热管、分离式热管、环路热管、振荡热管等种类。
普通热管由管壳、吸液芯和工质构成，其工作段可分为蒸发段、冷凝段、绝热段三个部分。热管运转时，蒸发端吸收热量，吸液芯内的液体工质蒸发，蒸汽在蒸发和冷凝端之间所形成的压差作用下流向冷凝端，蒸汽在冷凝段释放热量后凝结为液体，液体沿吸液芯凭借毛细力的作用重新回到到蒸发段，如此循环，将热量不断的从蒸发传递至冷凝段。热管传热能力上限值受毛细力、声速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力和冷凝极限等因素的限制。
重力热管由管壳和工质构成，其与普通热管结构上最大的差别是其管壁内侧没有毛细吸液芯，蒸发段在冷凝段的下方，工作时，液态工质在蒸发段吸热蒸发上升，气态工质再在冷凝段放热冷却成液态，液态工质在重力作用下返回到蒸发段，如此循环。[1]因液体工质的回流需要依靠重力作用，所以，重力热管的热量只能由下方传向上方而无法倒传。影响热虹吸管的主要因素有热流密度、充液率、沸腾极限、烧干极限和携带极限等，其正常启动和运行过程中会出现不稳定状态，在结构上减少气、液之间的相互作用可强化传热性能。
分离式热管的蒸发段和冷凝段分成两部份，每部份是由多根单管形成的管组，通过上下汇集管连通组合而成，蒸发段和冷凝段通过蒸汽上升管和液体下降管连接起来，系统中设置有排气阀和排液阀。工作时，工质在蒸发段受热蒸发，蒸汽通过蒸汽上升管进入冷凝段，在冷凝段释放热量凝结成液体，液体在重力作用下通过液体下降管回到蒸发段，如此循环。因分离式热管的蒸发器和冷凝器是分离开的，有利于实现远距离传热，并具有密封性能好、可用于多种流体间的换热、方便流混合布置、蒸发段与冷凝段的面积比可调、大型化等优点，主要应用在化工、电站、炼铁等领域的余热回收。影响分离式热管系统传热量的主要工作极限包括烧干限、声速限和冷凝限，可通过增大蒸汽上升管数量、增加管径、加大充液率等加以解决。
环路热管一般由蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气和液体管道构成，蒸发器内包含毛细芯结构，基本工作原理是凭借蒸发器内的毛细芯产生的毛细抽力来驱动工质运动。运行时，蒸发器吸收热量，液体工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，蒸气经蒸气槽道流出进入蒸气管并到达冷凝器，蒸气在冷凝器释放热量后冷凝成液体，液体经液体管道回流到蒸发器毛细芯中，如此循环。[2]?由于冷凝器内无吸液芯，热量不能倒传，因此环路热管也具有热二极管的特性。环路热管可以有效解决普通热管因换热段位置倒换而导致的传热受限的问题，同时拓展了热管在远距离能量输运方面的应用，其传热能力比普通热管大1~2个数量级，同时具有良好的等温性，广泛应用在空间技术、电子工业等领域。
振荡热管又称脉动热管、自激振荡流热管等，是热管家族中最新、最独特的一种热管，其运行原理和传热特性与普通热管有很大差异。结构上，其取消了毛细芯，在封闭的蛇形毛细管路中灌充一定量的液体工质,在表面张力作用下，液体工质形成长短不一的液柱与气塞。运行时，蒸发段（位于冷凝段下方）吸收热量，管内的液柱中有部分液体强烈沸腾，气塞受热膨胀，气塞的膨胀力和沸腾产生的气泡驱动液柱和气塞向冷凝段运动，液柱和气塞在冷凝段释放热量后冷凝、收缩，增加液体动能，通过能量转换维持循环,完成热量的从蒸气段向冷凝段不断传递。[3]振荡热管热负荷具有上下极限，大于和小于上下极限值，振荡热管都无法正常工作，热负荷在极限范围内，热负荷越高，工质运动越剧烈，循环速度越快，运行稳定性越好。振荡热管具有体积小、导热系数大、结构简单、无毛细结构、可弯曲等特点，在电子元件、新能源电池、电机等方面的散热均有应用，在锅炉、太阳能集热、余热回收等能量传输方面也有应用。
目前汽车发动机主要使用的冷却方式是水冷系统，将发动机中高温零件的热量传给冷却水，然后散入大气进行冷却，保证发动机在目标温度状态下工作。发动机水冷系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、水箱、缸体水道和缸盖水道及其附加装置等，利用水泵驱动冷却液在发动机中循环流动将热量带出。水冷系统具有冷却均匀，发动机运转噪音小等优点，但也存在设计复杂、体积重量大、升温慢、造价高、能耗高等问题。将热管技术应用到发动机中，用于部分或完全替代传统的水冷系统，预期可在工程、能耗、环保、经济方面获得良好效果。下面将就不同类型的热管在缸体、缸盖、气门、增压器和机油等零件上进行冷却应用的可能性进行分析。
在发动机工作过程中，气缸内壁与高温、高压气体直接接触，吸热量大，且气缸内壁对温度高低、温度均匀性有极高的要求，不适合的温度会降低发动机使用寿命，甚至出现拉缸导致发动机报废。结合气缸呈圆桶状、体积大、受热量大、均温性要求高等特点，缸体适用振荡热管进行散热。具体的，在缸体气缸壁周边环形分布头尾相连的封闭管路，管路内径3~5MM，其内灌充70-90%液体形成长短不一的液柱与气塞，如图1所示。
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缸盖燃烧室、活塞等部件吸收的热量先传递给机油，依靠机油的循环进行冷却。机油的温度对其粘度有重大影响，而只有粘度合适的机油才能在摩擦表面间形成油膜，保证部件的良好润滑。机油属于液体介质，其冷却适合选用分离热管。具体的，将蒸发器放置在油底壳内与机油接触吸热，将冷凝器放置在空气中散热，如图2所示。
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在发动机工作过程中，排气门的受热状态最为恶劣，作功和排气冲程全程大面积与高温燃气接触，但只通过气门杆部将热量传递给气门导管，极端情况下甚至会出现气门烧蚀的情况。气门体积小，外形呈伞状，头部吸热，杆部散热，散热过程中如何快速将其头部吸收的热量传递到杆部是关键，适用普通热管进行散热。具体的，将气门杆部做成空心，在其内灌充工质，如图3所示。
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涡轮增压器是通过发动机排出的废气能量推动涡轮实现增压，其涡端工作温度可达到800度以上，其转子转速更是达到20万转每分钟以上，大量的热量通过转子、中间体传递到压端，过高的温度将导致转子外壁上的机油烧结，润滑失效并损坏。当发动机还在正常运行时，这些热量可以通过中间体上的水和油流出散去，但在发动机停机后，油泵和水泵均停止工作，这些热量无法及时散去。部分车型采用虹吸效应促使增压器内的冷却液在发动机停机后仍可以在热能的驱动下缓慢流动，但冷却效果并不理想；部分车型采用延时冷却的方式，在发动机熄火后，不切断电子扇与冷却系统水泵的动力源，利用风扇与水循环系统持续数分钟的散热，此法成本较高。结合涡轮增压器高温、高能量密度的特点，其散热适用环路热管。具体的，蒸发器以中间体总成为腔体，冷凝器放置在空气，如图4所示。
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参考文献:
[1]于涛.重力热管的制造及传热性能测试【D】.山东大学，2008.
[2]盖东兴.小型平板环路热管的实验研究与系统仿真【D】.华中科技大学，2009.
[3]扬蔚原，张正芳，马同泽．脉动热管运行的可视化实验研究【J】．工程热物理学报，2001，(6)：117—120