热管仿真
理论：蒸发-凝结-毛细力循环
概述
听说笔记本电脑里的细铜管是热管。它和普通铜棒有什么不同？
里面接近真空，封入少量水。CPU一侧的水蒸发吸收潜热，蒸汽飞到另一侧凝结放热。液体靠内壁叫作吸液芯的细微结构的毛细力回流。由于热量靠“蒸汽移动”而不是“导热”传递，比同粗的铜棒导热容易几百倍。但能传递的热量有上限，决定它的是吸液芯的毛细力和朝向（重力）。我们来计算确认。
毛细极限
括号内为吸液芯的毛细压力减去提升液体的重力。$K$ 为吸液芯渗透率（液体流动难易），$A_w$ 为吸液芯截面积，$\phi$ 为蒸发段朝上的倾角。$r_{eff}$ 越小拉力越强，但 $K$ 变小、流动变难。这种权衡是吸液芯设计的核心。
工质优劣（品质因数）
表面张力和潜热大、粘度小的液体能传更多热量。水的品质因数在30℃为2.2×10¹¹，60℃为3.3×10¹¹，100℃为4.5×10¹¹ W/m²，温度越高越大。水是常温附近最优秀的工质之一，但0℃以下会冻结。
起源于太空的热管
热管的构想在1940年代由美国通用汽车公司申请了专利，但真正受到关注是在1963年，洛斯阿拉莫斯实验室的Grover为输送太空核反应堆的热量制作了样机，“热管”这个名称也是他起的。在无重力的太空中，回流液体离不开毛细力。热管先用于人造卫星温控，1990年代后期起普及到笔记本电脑CPU冷却，如今智能手机中的薄均热板也用同样原理。
算例：直径6 mm铜-水热管
外径6 mm，壁厚0.3 mm，吸液芯厚0.5 mm。蒸发段50 mm、绝热段100 mm、冷凝段50 mm（全长200 mm），工作温度60℃。忽略蒸汽压降，只看毛细极限。
吸液芯类型与朝向
| 吸液芯 | 毛细压力 | 重力辅助（竖直） | 水平 | 蒸发段在上 30° | 蒸发段在上 90° |
|---|---|---|---|---|---|
| 烧结（粒径0.1 mm） | 6,305 Pa | 70 W | 54 W | 45 W | 37 W |
| 金属网 | 2,207 Pa | 158 W | 84 W | 48 W | 11 W |
| 轴向沟槽 | 662 Pa | 330 W | 84 W | 0 W | 0 W |
200 mm水柱重1,929 Pa，约为沟槽吸液芯毛细压力662 Pa的三倍。蒸发段朝上倾斜30度，重力部分就达到965 Pa，沟槽已无法把液体送回。
与铜棒比较
| 项目 | 热管 | 同粗铜棒 |
|---|---|---|
| 热阻 | 0.034 K/W | 13.6 K/W |
| 传20 W所需温差 | 0.7 K | 272 K |
热管的值只考虑两端吸液芯（假设导热系数40 W/mK）和管壁的导热，是理想值。实际上加上接触热阻等通常要大几倍，但仍与铜棒相差两个数量级。
沟槽型水平时比烧结型传得多，稍一倾斜就变成零。
沟槽是宽通道，液体容易流动但拉力弱；烧结是细粉间隙，拉力强但不易流动。水平时没有重力负担，易流动的一方占优。蒸发段在上时，首先要看能否战胜重力，只有拉力强的烧结型能坚持。所以朝向固定或重力辅助回流的设备用沟槽型，笔记本电脑、手机等朝向会变的设备用烧结型。另外，重力辅助竖放时虽算出330 W，但实际上蒸汽流把液体吹走的携带极限等其他极限往往先到。
仿真方法
- 先用公式求毛细、声速、携带、沸腾四个极限，确认工作条件下的余量。
- 在设备整体热分析中，用高导热棒或热阻网络代替热管。
- 即使替代，也要另外确认传递的热量不超过极限。
- 启动时（低温）蒸汽密度低，容易触及声速极限。
- 弯曲或压扁加工的管，吸液芯和蒸汽通道变形，极限降低。
“倒过来就过热”
某工业控制柜因安装场地原因把沟槽热管冷却器上下倒装，夏天设备过热停机。原设计是发热部在下，液体靠重力回流。倒过来后发热部在上，毛细力弱的沟槽型无法回液而烧干。恢复安装方向后问题消失。热管性能随朝向变化很大，图纸上必须明确标注安装方向。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 不考虑朝向 | 烧干过热 | 计入重力计算极限 |
| 只用高导热棒表示 | 察觉不到超限 | 另外确认极限 |
| 忽略弯曲影响 | 高估极限 | 用弯曲后的值 |
| 不看低温启动 | 无法启动 | 确认声速极限与冻结 |
| 工质选错 | 超出温度范围 | 用品质因数比较 |
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