汞熱管研究和應(yīng)用發(fā)展情況

衛(wèi)光仁 閆 傲 薛松齡

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0 引言

熱管技術(shù)起源于美國(guó)Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的George Grover 發(fā)明的一種傳熱元件[1]，是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它充分利用熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)的快速傳遞性質(zhì)，將大量熱量通過(guò)很小的截面遠(yuǎn)距離地傳輸而無(wú)需動(dòng)力，因?yàn)椋瑹峁苁且詽摕岬男问竭M(jìn)行傳熱，所以，其傳導(dǎo)熱量的能力遠(yuǎn)超任何已知金屬。 隨著科技水平的不斷提高，熱管的研究應(yīng)用范圍不斷拓寬，各種類型熱管廣泛應(yīng)用于航天、核工業(yè)、化工、電子信息等領(lǐng)域。

汞在523～873K 溫度范圍內(nèi)具有很好的熱力性能，是傳輸性能較好的工質(zhì)，汞熱管成為熱管領(lǐng)域前沿研究方向之一[2]。 熱管選用工質(zhì)的溫度上限受限于相應(yīng)的飽和蒸汽壓力，壓力對(duì)熱管的強(qiáng)度要求具有決定性的影響，而汞熱管具有很低的飽和蒸氣壓[3]。 按照熱管的運(yùn)行溫度進(jìn)行分類可分成4～200K 范圍的低溫?zé)峁埽?00～700K 范圍的中溫?zé)峁芤约?00K 以上的高溫?zé)峁堋?中高溫?zé)峁艿墓ぷ鹘橘|(zhì)均是液態(tài)金屬，對(duì)于追求高性能的航天、核工業(yè)等尖端領(lǐng)域，汞熱管的研究使用不可或缺， 但汞熱管的加工制造極其困難，且汞蒸氣的泄露會(huì)對(duì)人體造成極大傷害，因此，汞熱管沒有得到廣泛的應(yīng)用。

1 汞的性質(zhì)及蒸發(fā)相變效應(yīng)

汞是銀白色閃亮的重質(zhì)液體， 常溫下即可蒸發(fā)，汞蒸氣和汞的化合物多有劇毒。 汞外部有80 個(gè)電子，最外層的軌道上有2 個(gè)電子， 可稱為惰性電子對(duì)，他們的存在使得汞原子無(wú)論獲得或失去電子都需要很高的能量，這一點(diǎn)使其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于酸也不溶于堿。

液體的揮發(fā)性和飽和蒸氣壓成正比，與其他金屬相比，汞具有很大揮發(fā)性。 表層的液體分子都具有向外部逃逸的趨勢(shì)，當(dāng)分子逃脫控制范圍，變成氣體分子的一部分，這些氣體又會(huì)反過(guò)來(lái)作用在液體上產(chǎn)生壓強(qiáng)，達(dá)到平衡時(shí)這種壓強(qiáng)即為飽和蒸氣壓。 汞原子間作用力較小，會(huì)很容易脫離變成氣體，脫離的越多，飽和蒸氣壓就越大，這是汞易揮發(fā)的原因。

2 汞熱管的基本特性及工質(zhì)的選擇

2.1 汞熱管的基本特性

汞在523～873K 溫度范圍內(nèi)的飽和蒸氣壓比水小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但汞熱管的加工制造極其困難，且少量的汞蒸氣泄露就會(huì)對(duì)人體造成極大傷害，因此，汞熱管的使用受到了限制。

對(duì)于追求高性能的尖端傳熱領(lǐng)域來(lái)說(shuō)， 汞熱管具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)：（1）汞熱管與銀、銅等金屬相比具有更高的導(dǎo)熱性， 汞熱管蒸發(fā)器中的熱量傳遞到工質(zhì)并導(dǎo)致毛細(xì)管結(jié)構(gòu)表面的工質(zhì)汽化， 這部分汽化會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器中的局部蒸汽壓力增加， 同時(shí)推動(dòng)汽化蒸汽流向冷凝器，從而傳輸汽化潛熱，單位重量的汞熱管可多傳遞幾個(gè)數(shù)量級(jí)的熱量；（2）汞熱管可以在與熱源接觸的區(qū)域靈活配置散熱片；（3）熱量可以遠(yuǎn)距離傳輸，而溫度變化很小；（4）熱量傳輸過(guò)程依靠毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力， 無(wú)需其他動(dòng)力或移動(dòng)部件即可抽出冷凝液；（5）環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，在零重力環(huán)境下運(yùn)行不受影響。

2.2 熱管工質(zhì)的選擇

汞對(duì)金屬的浸潤(rùn)性很差，應(yīng)在全部保溫條件下運(yùn)行一定時(shí)期，在汞內(nèi)加有0.7%的鈦和5.4%的鎂可提高其浸潤(rùn)性。 特定的工質(zhì)只能在某些溫度范圍內(nèi)起作用， 同樣特定的工質(zhì)需要兼容的容器材料以防止流體與容器之間發(fā)生腐蝕或化學(xué)反應(yīng)， 腐蝕會(huì)損壞容器，產(chǎn)生不凝性氣體，因此，選擇適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)，熱管可以在很大的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行傳熱。 有許多影響熱管性能的參數(shù)，例如，材料的兼容性、工作溫度范圍、熱傳輸限制、熱阻、工作方向、尺寸和幾何約束等。 在微型熱管中， 最大傳熱能力主要受毛細(xì)管壓力的支配[4]。 所有熱管具有3 個(gè)共同的物理元素，這些包括外部容器， 工質(zhì)體和毛細(xì)管芯結(jié)構(gòu)。 在功能上熱管由3個(gè)部分組成：蒸發(fā)器、冷凝器和絕熱區(qū)域。

工質(zhì)的選擇還必須基于發(fā)生在熱管內(nèi)的熱力學(xué)與熱流的各種限制，例如，粘性、聲波、毛細(xì)管、夾帶和核沸騰水平。 在熱管設(shè)計(jì)中，高表面張力值是理想的，以便熱管能夠克服重力作用并產(chǎn)生較高的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)。除了高表面張力外，工作流體還必須浸潤(rùn)吸液芯和容器材料，即接觸角應(yīng)為零或很小。 在工作溫度范圍內(nèi)的蒸氣壓必須足夠大以避免蒸氣速度過(guò)高，而蒸氣速度往往會(huì)造成較大的溫度梯度和導(dǎo)致流量不穩(wěn)定。 為了傳遞大量的汽化潛能，需要高的汽化潛熱。 熱量以最小的流體流量通過(guò)，從而保持熱管的較低壓降。 應(yīng)優(yōu)選高熱導(dǎo)率的工質(zhì)，使徑向溫度梯度最小化并減少壁表面沸騰。 流體流動(dòng)阻力可通過(guò)選擇蒸氣和液體黏度較低的流體，將其最小化。

工質(zhì)的選擇取決于以下6 個(gè)方面的考慮： 工作溫度，汽化潛熱，液體粘度，毒性，工質(zhì)與容器材料的兼容性，芯吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能。表1 列舉了典型熱管流體的沸點(diǎn)和潛熱與比熱的比較， 可以看出汞具有很高的沸點(diǎn)， 同時(shí)具有極高的潛熱與比熱比。 汞的汽化潛熱為295 kJ/kg，密度為13.59 g/cm3，冷凝一升水在常壓下的汽化熱為 2 257.1 kJ，而冷凝 1 L 汞為 3 747 kJ，相比同等體積下的水傳熱性能更好。

3 汞熱管應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1 汞熱管的理論研究

Xiuxiang Zhang 等[5]利用瞬態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型研究了加熱功率與熱管結(jié)構(gòu)對(duì)汞熱管的啟動(dòng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)傳熱性能的影響，結(jié)果表明：（1）增加冷凝器的長(zhǎng)度有利于減少啟動(dòng)時(shí)間和熱阻； （2）提高加熱功率或壁厚會(huì)降低熱阻，但會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間并增加孔隙率；（3）增加吸液芯的厚度可能會(huì)增加啟動(dòng)時(shí)間。

T Yamamoto 等[6]研究了蒸發(fā)器部分的表面溫度變化與由于汞腐蝕引起的容器內(nèi)表面狀況變化之間的關(guān)系，即使采用最高工藝制造的汞熱管，當(dāng)?shù)谝淮渭訜峁療峁軙r(shí)，蒸發(fā)器的表面溫度也會(huì)變得很高。 但是30～50 h 后，它將降低到正常水平。 為了檢查原因，對(duì)3 個(gè)汞熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在400℃的蒸氣溫度下，分別將2 個(gè)熱管加熱10 h、52 h， 將第3 個(gè)熱管在蒸氣溫度范圍為 400～600°C 的條件下加熱約 500 小時(shí)，得出改善蒸發(fā)器部分內(nèi)表面的潤(rùn)濕性所需的時(shí)間約為30小時(shí)。

T Yamamoto 等[7]還研究了在垂直底部加熱模式下有無(wú)篩網(wǎng)芯的情況下，汞熱管之間的傳熱率差異。 帶有大量汞的熱管的運(yùn)行可能會(huì)由于間歇沸騰器劇烈沸騰而導(dǎo)致容器故障，在這項(xiàng)研究中，使用了2 種熱管來(lái)研究安裝篩網(wǎng)芯對(duì)傳熱速率的影響。 其中一個(gè)有2 層絲網(wǎng)狀芯，另一個(gè)沒有。 根據(jù)這些測(cè)試的結(jié)果，可以得出結(jié)論： 與蒸氣芯相比， 帶有篩網(wǎng)芯的熱管在600°C 的蒸氣溫度下的傳熱速率降低了約30%， 但是間歇沸騰器的沸騰也降低了，因此，用于啟動(dòng)的操作程序?qū)⒆兊酶影踩?/p>

吸液芯的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)熱管的傳熱能力影響很大，目前，大部分使用絲網(wǎng)芯、金屬氈、槽道及它們的組合形式作為中高溫?zé)峁艿奈盒綶8-9]。 汞與大部分金屬吸液芯浸潤(rùn)性很差，很容易導(dǎo)致毛細(xì)力失效，因此，汞熱管吸液芯的選擇較為困難，與汞熱管搭配性能較好的吸液芯有待進(jìn)一步的開發(fā)研究。

3.2 汞熱管的應(yīng)用研究

熱管應(yīng)空間核電源而生，在空間核電源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。 熱管用以導(dǎo)出堆芯內(nèi)的核反應(yīng)熱，一部分熱能轉(zhuǎn)換成電能為航天器供電，剩余產(chǎn)生的廢熱則由廢熱排放系統(tǒng)排散到宇宙空間。 在核反應(yīng)堆行業(yè)中反應(yīng)堆是發(fā)電的來(lái)源，熱管被用作固有停機(jī)系統(tǒng)的次級(jí)回路的冷卻部分，通常是采用液體熱管，即把汞作為內(nèi)部的冷卻劑，將熱管澆鑄到冷卻組件的結(jié)構(gòu)中。 美國(guó)NASA 的Kilopower 核反應(yīng)堆周邊布置大量熱管，一部分熱量通過(guò)熱管使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，其余廢熱通過(guò)熱管散放到大氣中。Bahman Zohuri 等[10]從事熱工液壓技術(shù)分析和自然循環(huán)液態(tài)金屬快中子增殖反應(yīng)堆（LMFBR）堆芯的核反應(yīng)堆系統(tǒng)（ISHRS），設(shè)計(jì)了汞熱管用于散熱。

熱管應(yīng)航天技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，汞熱管的研究對(duì)于追求大功率、高穩(wěn)定性的空間飛行器至關(guān)重要。 在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于所有類型的飛行器均面臨相同的問(wèn)題，即飛行器的不同側(cè)面受太陽(yáng)照射強(qiáng)度不同導(dǎo)致溫差較大，且無(wú)法通過(guò)空氣對(duì)流調(diào)節(jié)溫度。 汞熱管可用于飛行器內(nèi)部設(shè)備及外部殼體的散熱冷卻及均溫，減輕熱控系統(tǒng)的重量，且不消耗額外能源，這不僅解決飛行器溫度控制問(wèn)題，而且解決了航天器熱控遠(yuǎn)距離傳熱難題。

4 結(jié)語(yǔ)

熱管是熱物理學(xué)和熱學(xué)的顯著成就之一，其獨(dú)特的傳熱能力在余熱回收、節(jié)能方面已成為一種有效的既定熱解決方案，特別是在高熱通量、熱負(fù)荷不均勻，發(fā)熱時(shí)氣流受限等情況下。

汞在523～873K 溫度范圍內(nèi)， 具有很低的飽和蒸氣壓，是傳輸性能較好的工質(zhì)，應(yīng)用于追求高性能的航天、核工業(yè)等尖端領(lǐng)域。

汞的密度很大，相同體積的冷凝液汞所放出的氣化潛熱比水更多，同時(shí)，以其作為工質(zhì)會(huì)將使熱管重量增加，增加空間飛行器的負(fù)載。

汞是劇毒物質(zhì)，不僅熱管制造中會(huì)產(chǎn)生汞蒸汽危害人體，而且汞與熱管吸液芯材料浸潤(rùn)性不好，會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)力失效， 啟動(dòng)需要長(zhǎng)時(shí)間保溫且較難成功，值得開展進(jìn)一步的研究。